某大跨径预应力混凝土箱梁桥裂缝成因与养护对策分析

2024-01-16孙雅旺

交通科技与管理 2023年24期

孙雅旺

摘要公路桥梁作为重要的交通基础设施，在社会经济发展中发挥着十分重要的作用。但随着服役年限不断延长，公路桥梁逐渐暴露出一系列质量病害，其中以裂缝最为普遍，严重影响桥梁使用安全，缩短运营年限。为有效提高桥梁裂缝维修加固效果，保证桥梁使用安全，文章依托某桥梁工程养护实践，通过病害调查，确定了预应力混凝土箱梁主要病害情况，系统分析了混凝土箱梁裂缝形成原因，并提出了针对性养护对策，旨在为同行提供参考、借鉴。

关键词公路桥梁工程；箱梁裂缝；成因分析；养护对策

中图分类号 TU755.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0141-04

0 引言

预应力混凝土箱梁桥作为公路桥梁工程建设中常用的结构形式，具有承载能力强、稳定性好、刚度大等优点，已成为当前应用最为广泛的桥型。但由于交通荷载、外部环境及施工缺陷等各方面因素影响，部分运营中的桥梁结构出现了各种形式的裂缝问题，造成桥梁承载能力显著降低。针对桥梁裂缝科学分析形成原因，并采用针对性措施进行修复处理，是保证桥梁安全稳定运营的根本保障。为此，该文依托某公路桥梁案例，对桥梁裂缝成因及养护对策实施综合分析[1]。

1 工程概况

某公路桥梁项目，采用预应力混凝土连续箱梁结构，全长2 590 m，主桥采用双索塔斜拉桥，设计跨径430 m，桥跨组合为（80+90+190+430+190+90+80）m，其中80 m、90 m跨为单箱单室箱形结构，底部及顶部宽度分别为10.5 m和20 m，端部与跨中高度依次为6 m和2 m，具体如图1所示。为提高箱梁整体稳定性，避免产生结构变形，在箱梁高度较小部位设置中腹板（无支座），使其成为双室结构，并沿桥梁纵向设置断缝，消除中腹板位置剪力作用。此外，将90 m跨箱形结构转变为肋板截面，并使箱梁顶部、底部宽度拓宽至与肋板截面宽度相同，具体如图2所示。

2 箱梁主要病害

2009年对桥梁结构实施全面质量检测，结果显示箱梁底板、腹板及顶板位置均存在不同程度的裂缝，其中顶板裂缝相对较少（4条），腹板、底板位置裂缝较多。具体情况如下：

2.1 箱梁腹板斜裂缝

箱梁腹板裂缝以斜度45°斜裂缝为主，集中出现在梁跨四分之一截面重心上部区域，但未发展到翼缘板位置。

箱梁腹板内外两侧均存在裂缝，内侧裂缝相对较大，缝宽处于0.3 mm范围内，其中0～0.2 mm、0.2～0.3 mm裂缝占比分别为23.91%和52.17%；而外侧缝宽为0～0.2 mm、0.2～0.3 mm裂缝占比依次为86.49%和10.81%。

2.2 墩顶横隔板裂缝

墩顶横隔板位置所受到的支反力较大，该部位所形成的裂缝主要以人孔为中心向四周发散，最大缝宽为3.2 mm。

2.3 箱梁底板裂缝与开裂

箱梁底板裂缝呈现底面多、顶面少的分布特征，并且存在1条底板、腹板贯通裂缝，缝宽为15 mm。此外，在截面过渡段底板底面存在混凝土空洞现象。

3 裂缝成因分析

为全面探究该桥梁结构裂缝形成的具体原因，根据桥梁裂缝实际情况，对桥梁受力特征实施综合分析，并以此为基础对箱梁断面实施力学分析[2]。

借助数值模型对桥梁整体受力状况实施计算分析，根据桥梁结构实际情况进行单元划分，共包括550单元，参照《混凝土结构桥梁设计规程》相关规定科学设定各项技术指标，并采用A类结构标准实施检验。荷载组合形式为：恒载+车载+人群荷载+整体温差+截面温差[3]。

根据数值模拟结果，箱梁整体性能良好，抗压强度等各项指标完全符合标准要求，但其斜面抗裂验算不符合规范要求，短期效应组合下，上缘正应力及主拉应力均显著高于标准水平，实际检测结果如表1所示。

3.1 腹板斜裂缝产生原因

箱梁腹板开裂原因为：①主拉应力较大；②纵向预应力筋较短，导致伸长量不足；③预应力张拉阶段各方面因素影响导致损失较大。通过结构受力分析，箱梁腹板裂缝的根本原因在于主拉应力较大，其裂缝形式以结构性裂缝为主。箱梁主要受力形式如图3所示。

3.2 横隔板裂缝成因分析

横隔板作为箱梁结构重要组成部分，可显著提升结构稳定性，但其受力形式相对复杂，尤其当其表面存在施工洞口的情况下，处治不当极易引发结构裂缝问题。为有效探究墩顶横隔板裂缝成因，利用ANSYS10.0系统构建有限元分析模型，对墩顶受力情况实施模拟分析，其有限元模型如圖4所示。

经模拟计算，横隔板横、竖向应力分布特征，如图5、图6所示。

由图5和图6可知：应力超过1.5 MPa的区域分布于人孔周边（应力低于1.5 MPa的区域为灰色）。横隔板应力分布形式和裂缝高度吻合，沿人口位置向周边延伸，详细情况如图7所示。

3.3 底板裂缝与开裂原因分析

箱梁底板裂缝主要是由外部荷载作用所致，其中大部分为施工荷载引发的裂缝。该桥梁结构局部位置由单箱单室结构转变为单箱双室结构，使纵向预应力筋布设截面显著增大，有效减小了截面主拉应力，但也在一定程度上增大了结构自重与施工难度；此外，在箱梁端部结构截面出现较大变化，进一步增大了底板受力复杂性，处治不当极易造成底板开裂[4]。通过有限元分析软件对底板裂缝实施计算分析，底板位置存在两个部位主拉应力较大，介于3.0～3.9 MPa范围内，受此应力作用箱梁底板会产生开裂。箱梁底板开裂除与外部荷载作用有关，还与施工因素存在一定关系，具体如下：

（1）底板预应力施工时，由于张拉设备、工艺等各方面因素影响，导致张拉力较低或损失较大，造成有效应力达不到规范要求，加之预应力孔道位置偏差，导致张拉施工时产生应力集中现象。

（2）底板钢筋密度过大，造成混凝土振捣困难，密实度达不到标准要求，并且混凝土产生离析现象。

（3）挂篮模板施工不规范，导致混凝土浇筑时出现漏浆现象，使水泥含量减小，混凝土密实度降低，经荷载持续作用，出现骨料松散、脱落现象。

（4）混凝土养护不到位，结构承载能力达不到标准要求，当行车荷载较大时，结构产生裂缝现象。

4 病害处理

4.1 一般性非结构受力裂缝处理

针对一般性非结构性裂缝，可采取表面封闭与压力灌浆方式实施处理：①当缝宽小于0.15 mm时，利用环氧胶泥进行修复处理；②当缝宽超过0.15 mm时，通过灌注环氧树脂方式进行修复处理。

4.2 箱梁腹板斜裂缝处理

箱梁腹板斜裂缝主要由外部荷载作用引起，为典型的受力裂缝，会在一定程度上降低结构刚度，并对桥梁使用寿命造成不利影响，因此须采取必要措施进行加固处理[5]。先修复结构裂缝，再在开裂部位设置钢板，并利用锚栓实施加固。因腹板裂缝具有一定的倾斜角度，所以，实际施工时，钢板应沿裂缝走向设置，最大限度保证处治效果。

4.3 箱梁顶板裂纹处理

箱梁顶板裂缝成因较多，具体包括恒载作用、交通荷载、温度变化等，若要从根本上杜绝箱梁顶板裂缝问题，应从结构受力及构造形式两方面加以控制。不仅需根据相关标准要求计算交通荷载作用下的横向内力，还应充分考虑温度变化的影响。针对已出现的结构裂缝先实施封闭处理，然后采取粘贴碳纤维材料进行维修加固。

4.4 箱梁底板开裂处理

针对箱梁底板外侧裂缝，应先采用水泥砂浆实施修复处理，确保混凝土松散、脱落位置形成整体结构，然后将空洞部位混凝土完全凿除，并采用相同等级的混凝土填补平整，最后在裂缝表面粘贴钢板进行加固处理。针对由于预应力不足导致的结构裂缝，通过增设体外预应力筋实施补张拉处理，待张拉完成后再实施灌浆加固；针对其他形式的裂缝，应先对裂缝实施修复处理，并在裂缝表面粘贴钢板，而针对裂缝较多的部位采取布设对拉钢板的方式实施加固处理。

4.5 钢板粘贴基本要求

钢板粘贴基本要求如下：

（1）为有效增强裂缝处治效果，保证结构整体安全性、稳定性，必须保持箱梁腹板外侧加固钢板走向与裂缝主拉应力方向相同；针对其他部位的裂缝，应根据箱梁结构形式合理确定钢板加固方向。

（2）为避免因钢板加固造成的应力集中现象，邻近钢板端部应设置成锯齿形，进行交错连接，以有效增强加固效果。

（3）在确保加固钢板牢固可靠的前提下，锚栓位置应交错布置，以有效降低对混凝土结构的破坏程度，保证结构完整性。

（4）锚栓选用化学锚栓，禁止使用膨胀锚栓。

（5）粘钢加固采用的锚固胶，在?40～+80 ℃环境中，持续剪切应力作用下位移不超过2 mm，相关性能指标应满足现行《公路桥梁工程加固技术规程》相关规定。

4.6 防腐处理

桥梁维修加固完成后，为有效提升结构抗腐蚀性能，保证桥梁耐久性、美观性，需对维修部位实施防腐处理，以便后续检查裂缝发展情况。

（1）加固钢板防腐处理流程：抛丸除锈+环氧涂层封闭+双层环氧树脂面漆，最小漆膜厚300 μm。

（2）針对未采取粘钢加固部位，按照上述流程直接涂刷于结构混凝土表面即可。

5 结论