連續(xù)箱梁斜向開裂成因及加固措施分析

魏斌建 陜西路橋集團(tuán)有限公司，西安 710000

橋梁工程項(xiàng)目中，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)因?yàn)椴牧蟻碓磸V、使用性能強(qiáng)、施工工藝簡單、養(yǎng)護(hù)方便的特點(diǎn)，受到廣泛青睞。而大跨徑的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的連續(xù)箱梁的橋梁，因?yàn)槭┕た刂?、后期養(yǎng)護(hù)以及材料選擇等方面的影響，可能會出現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)問題，主要有連續(xù)箱梁的腹板斜向、豎向的開裂，還有底板的橫向、縱向、斜向的開裂問題，以及跨中變形等，對于橋梁結(jié)構(gòu)的安全性以及后期正常使用產(chǎn)生極大影響，對出現(xiàn)嚴(yán)重病害的必須進(jìn)行加固處理。具體加固方案的選擇，要在對病害成因充分了解的基礎(chǔ)上，采取科學(xué)合理的加固措施，避免加固施工對結(jié)構(gòu)造成二次損壞。

1 連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)橋梁的特點(diǎn)

大跨徑的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)橋梁，其橋身的整體性能非常好，當(dāng)受到活載作用時(shí)豎向變形比較小，伸縮縫也比較少、結(jié)構(gòu)的剛度大，橋梁上行車舒適度高，后期養(yǎng)護(hù)也非常簡單。如果是等高度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的連續(xù)箱梁，其跨度一般能達(dá)到80米，如果是變高度的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的連續(xù)箱梁，其跨度一般能夠達(dá)到200米，并且設(shè)計(jì)方案和施工技術(shù)已經(jīng)比較成熟，整體上的造價(jià)也比較低，適用于高等級公路橋梁項(xiàng)目。

2 工程概況

橋梁工程為50m+90m+50m的大跨徑預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，以懸臂澆筑施工方式進(jìn)行，上部結(jié)構(gòu)為單箱單室，底部寬為6.25m，截面頂部寬12m，腹板厚度范圍為35cm～60cm。梁高為230cm～520cm，圖1是主梁的截面。跨腹板上出現(xiàn)了八字形裂縫，并且分布對稱，分布范圍見圖2。

圖1 主梁的截面

圖2 裂縫的分布

3 箱梁斜向開裂的成因

運(yùn)用Midas模式有限元技術(shù)構(gòu)建原橋的模型，分析橋梁的受力情況。依照施工過程和原結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行模擬，得到計(jì)算結(jié)果。從結(jié)果去看，原橋的設(shè)計(jì)荷載作用狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的承載力能夠達(dá)到承載能力的極限標(biāo)準(zhǔn)；如果是正常應(yīng)用的極限情況下，橋梁界面的正應(yīng)力為壓應(yīng)力，且主拉應(yīng)力沒有超出混凝土的抗拉強(qiáng)度。表明原橋的結(jié)構(gòu)尺寸以及預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)在合理范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，分析腹板斜向開裂的誘發(fā)原因，主要有以下幾點(diǎn)：

3.1 混凝土收縮徐變

橋梁施工中出現(xiàn)了混凝土收縮徐變，而這種變化明顯作用到了短期分段的懸臂澆筑結(jié)構(gòu)上，收縮徐變處于超靜定的結(jié)構(gòu)下，應(yīng)力受到了混凝土齡期和環(huán)境等多個(gè)因素影響，單純使用有限元模型不能更精確地模擬出其作用。

3.2 模型模擬出現(xiàn)偏差

運(yùn)用Midas的杠件模型對原橋進(jìn)行模擬，然后進(jìn)行計(jì)算，難以得到截面實(shí)際的最大拉應(yīng)力。為彌補(bǔ)不足，研究人員通常運(yùn)用Ansys實(shí)體模型，對懸臂澆筑過程中的箱梁應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示前模型中計(jì)算得到截面應(yīng)力最小的時(shí)候，施工中卻會順著縱向鋼束，提高腹板主拉應(yīng)力，尤其是在錨下一個(gè)階段距離內(nèi)腹板0.5m的時(shí)候，腹板主拉應(yīng)力更大，可能超出混凝土的抗拉強(qiáng)度。

3.3 結(jié)構(gòu)尺寸的影響

假設(shè)箱梁的腹板的厚度不足，此時(shí)截面內(nèi)剪應(yīng)力則會過大，造成腹板的主拉應(yīng)力高出混凝土抗拉強(qiáng)度，從而出現(xiàn)開裂的問題；還有就是箱梁的縱向預(yù)應(yīng)力、豎向預(yù)應(yīng)力的管理對于截面有著削弱的作用，也可能提升主拉應(yīng)力；另外，運(yùn)用懸臂分段的澆筑施工方式時(shí)，施工期間節(jié)段的接縫處有豎向的裂縫，如果沒有第一時(shí)間進(jìn)行處理，就會讓截面尺寸變小，進(jìn)而增大主拉應(yīng)力，很可能導(dǎo)致該應(yīng)力超出限額。

3.4 豎向預(yù)應(yīng)力的影響

采用懸臂澆筑的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，可以分成三個(gè)方向的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在豎向的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生了豎向預(yù)壓力，可以緩解截面的主拉應(yīng)力。但是，豎向的預(yù)應(yīng)力筋一般使用精扎螺紋的粗鋼筋為材料，由于受到灌漿質(zhì)量、張拉錨固、梁高等因素的影響，通常很難達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。實(shí)際的預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力的3/4左右，如果豎向的預(yù)應(yīng)力損失到達(dá)30%，腹板的主拉應(yīng)力會超出混凝土抗拉的強(qiáng)度，進(jìn)而出現(xiàn)斜向裂縫。

3.5 縱向預(yù)應(yīng)力的損失

箱梁橋梁的底板鋼束預(yù)應(yīng)力如果損失非常大，其截面的預(yù)應(yīng)力就會減小，增加了主拉應(yīng)力，還可能超出限額，從而導(dǎo)致橋梁開裂。中跨的底板束應(yīng)力有損失，計(jì)算得出中跨底邊的束應(yīng)力如果減少20%，中跨距離頂墩是20m～26.9m的時(shí)候，主拉應(yīng)力已經(jīng)高出規(guī)定值，增加底板的束預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)而使得超限范圍擴(kuò)大。

3.6 混凝土施工和養(yǎng)生不當(dāng)

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁施工中，對于混凝土強(qiáng)度的要求是必須到達(dá)90%之上才能進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的張拉。若張拉過早，此時(shí)的混凝土彈性模量比較低，將會出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力張拉之后的混凝土壓縮的變形過大，進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力的損失很大，導(dǎo)致難以滿足預(yù)壓要求，截面的主拉應(yīng)力也會明顯增加。另外，混凝土施工后的養(yǎng)生階段，若沒有嚴(yán)格控制濕度和溫度，可能會讓混凝土的表面和內(nèi)部出現(xiàn)濕度差和溫度差，進(jìn)而導(dǎo)致其出現(xiàn)不同變形，而這種變形受到混凝土內(nèi)部約束力的影響，超過主拉應(yīng)力極限，最終導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)開裂。因此，施工的過程中，必須嚴(yán)格控制掛籃、混凝土質(zhì)量、混凝土澆筑、拆模時(shí)間、混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間、結(jié)構(gòu)配筋、施工環(huán)境等因素，確保這些因素都在規(guī)定范圍內(nèi)，避免連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂。

4 加固措施

4.1 加固方案

對本橋梁的實(shí)際預(yù)應(yīng)力損失情況進(jìn)行分析，可知預(yù)應(yīng)力的管道使得截面變小，以及混凝土的收縮徐變影響，從而確定加固維修方案：對中跨箱梁的內(nèi)側(cè)進(jìn)行腹板加厚；加厚腹板的內(nèi)部增加預(yù)應(yīng)力鋼束。

4.2 加固的可靠性分析

除了要加厚腹板外，還要在其內(nèi)部增加預(yù)應(yīng)力鋼束，從而增加截面尺寸，使得剪應(yīng)力減小，從而增大截面的預(yù)壓應(yīng)力，使得截面的主拉應(yīng)力減小。對方案進(jìn)行細(xì)化，腹板的加厚尺寸要經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算，精確確定出預(yù)應(yīng)力鋼束的參數(shù)。使用有限元分析方法對不同參數(shù)的方案做對比，找出最合理的參數(shù)，不能因?yàn)楦拱暹^厚而增加橋梁的自身重量，也不能出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼束的增加不足，反而增加了截面應(yīng)力，也要避免出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼束的增加過多，超出預(yù)應(yīng)力限制。

4.3 加固施工質(zhì)量的保證

為提高加固質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制加固施工措施，保證施工質(zhì)量，如果要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的張拉，一定要等待混凝土的強(qiáng)度超出90%之后?；炷潦┕そY(jié)束后，養(yǎng)生時(shí)期必須嚴(yán)格控制濕度和溫度，避免變形導(dǎo)致開裂。