浅谈桥梁工程预应力混凝土裂缝控制

周 昊

(中铁四局第五工程有限公司)

1 桥梁预应力混凝土应用现状

应力技术从 20世纪 20年代进入土木工程领域的实际应用至今,已经走过了 80多年的历程。我国的预应力混凝土桥梁在 20世纪 50年代才刚开始研究,第一片预应力混凝土在丰台桥梁厂研究试制,并于 1956年首先在东陇海线新沂河铁路桥上建成了跨度为 23.9m的预应力混凝土简支梁,迈出了重要的一步。1984年建成了主跨 111m的湖北沙洋汉江桥和广东顺德容奇桥(3孔 90m),前者用挂篮悬浇施工,后者则用 5 000 kN浮吊预制组拼而成,开创了 20世纪 80年代预应力混凝土连续梁桥的先河。随后,1985年又建成了哈尔滨松花江大桥(7孔 90m),1986年又建成了主跨达 120m的湖南常德沉水桥。1988年,广东省同时建成了采用节段预制悬臂拼装施工的七孔 110m江门外海桥,和主跨达 180m的预应力混凝土连续钢构桥—番禺洛溪桥。

2 预应力混凝土连续梁桥主要施工方法

2.1 整体现浇施工法

整体现浇施工通常一联为整体浇筑混凝土而成。

整体现浇施工法的特点如下。

(1)桥梁的整体性好,施工平稳、可靠、不需大型起重设备;

(2)桥梁施工过程中无体系转换,不产生恒载徐变二次力,施工方便;

(3)预应力混凝土连续梁桥可以采用预应力体系,使结构构造简化,方便施工;

(4)需要使用大量施工支架,跨河桥梁搭设支架影响河道的通航与排洪,施工期间支架可能受到洪水和漂流物的威胁;

(5)施工工期长、费用高,需要有较大的施工场地,施工管理复杂。

2.2 预制简支一连续施工法

预制简支一连续施工又称先简支后连续施工法。其程序为:预制简支梁,分片进行预制。

安装,预制时按预制简支梁的受力状态进行第一次预应力筋(正弯矩)的张拉锚固,安装完成后经调整位置(横桥向及标高),浇筑墩顶接头处混凝土,更换支座,进行第二次预应力筋(负弯矩筋)的张拉锚固,进而完成一联预应力混凝土连续梁的施工。

2.3 悬臂施工法

用悬臂施工法建造预应力混凝土连续梁桥,分悬浇和悬拼两种,其施工程序和特点与悬臂施工法建造预应力混凝土悬臂桥基本相同。在悬臂或拼浇过程中,要采取使上、下部结构临时固结的措施,待悬臂施工结束、相邻悬臂端连接成

整体并张拉了承受正弯矩的下缘预应力筋后,再卸除固结措施,使施工中的悬臂体系转换成连续体系。

2.4 顶推施工法

顶推施工法是沿桥纵轴方向的桥台后开辟预制场地,分节段预制混凝土梁体,并用纵向预应力筋连成整体,然后通过水平液压千斤顶施力,借助不锈钢板与聚四氟乙烯模压板特制的滑动装置将梁逐段向对岸顶进,就位后落架,更换正式支座完成桥梁施工的方法。

2.5 移动式模架逐孔施工法

它的基本构思是:将机械化的支架和模板支承(或悬吊)在长度稍大于两跨、前端作导梁用的承载梁上,然后在桥跨内进行现浇施工,待混凝土达到一定强度后脱模,并将整孔模架沿导梁前移至下一浇筑桥孔。如此有节奏地逐孔推进直至全桥施工完毕。

3 桥梁工程预应力混凝土裂缝产生的原因

3.1 斜裂缝

斜裂缝也称主拉应力裂缝,是预应力混凝土梁桥中出现最多的一种裂缝。

产生原因主要有以下几方面。

(1)设计原因:在预应力混凝土桥梁的设计中,一般对于正截面强度是重视的,而对于斜截面强度或者主拉应力,有时却重视不够,或者遗漏了最不利截面,或者缺乏最不利组合的工况。

(2)施工原因:由于模板安设粗糙,浇筑时走动,使腹板减薄,有的工地上实际腹板厚度比设计少 2 cm,甚至减小4 cm,这种情况下,必然会导致出现斜裂缝。

3.2 垂直裂缝

在预应力混凝土桥梁中,受弯的垂直裂缝比较少见,但有时还能见到。

产生原因主要有以下几方面。

(1)设计原因:设计中对于梁桥的正截面强度和应力,一般都很注意,但有时也会出现疏忽,导致实际有效预应力不足而出现垂直裂缝。

(2)施工原因:在梁的悬臂浇筑中,既不预压重,又不调整挂篮挂索,浇筑顺序由里向外,由于挂篮下挠,使在与上一梁段连接的工作缝处出现垂直裂缝,最大的甚至宽达3mm,不得不进行压浆处理,并导致出现斜裂缝。

3.3 纵向裂缝

纵向裂缝是预应力梁桥中出现也较多的一种裂缝,仅次于主拉应力斜裂缝。纵向裂缝较多地出现在箱梁的顶、底板上,顺桥向,有的纵缝连续贯通较长,有的则不连续且较短。产生原因主要有以下几方面。

(1)未采用横向预应力;(2)顺桥向的永存预应力过大;(3)温差应力估计不足。

3.4 底板混凝土保护层劈裂

表现为底板预应力束下的混凝土保护层劈裂,有时可达相当宽的范围。

产生原因主要有以下几方面。

(1)设计原因:有的设计人员往往片面从充分发挥预应力束的作用出发,盲目减少其保护层,这种情况下,容易产生底板劈裂,尤其在变截面梁底板顺桥向呈弯曲的情况下。

(2)施工原因:对已设置的波纹管道保护不够,受到局部重载,形成折曲,张拉时引起向下的分力,这也是底板劈裂原因之一,尤其在过早张拉,混凝土强度还未足够时。

4 桥梁工程预应力混凝土裂缝控制措施

4.1 斜裂缝控制措施

在近年来,一些运营中的预应力连续梁或连续刚构出现了主拉应力方向的斜裂缝,应该引起注意。一般来说,由于连续的混凝土结构存在次内力的再分配问题,施工过程中的影响因素又非常之多,在裂缝出现后要准确找出原因比较困难,所以,在设计时首先应该合理地确定中、边跨比,注重跨度 1/4处的剪应力和主拉应力检算,适当增加箍筋配置,对连续结构的竖向预应力筋的永存预应力的核算,应充分考虑施工控制精度和工艺水平以及各项预应力损失,做到客观合理。

4.2 垂直裂缝控制措施

纵向裂缝一般来说是受力裂缝,所以,首先在设计时应合理拟定截面,确定适宜的预应力度,对于较长的跨度及桥面较宽的情况,应尽量设横向预应力,此外,对锚下局部应力应给予足够的重视,对超常规设计必要时应配合做锚下局部应力试验,以免混凝土受力过大。此外,对易发生碱骨料反应的地区,应重视骨料的选用以及施工用水的化验,避免碱骨料反应发生。对于因截面或预应力度设计不合理导致的裂缝,应找出应力的超过幅度,进行分析,如应力超出不多,可用改性环氧混凝土将裂缝浇捣封闭,否则,应采用加固截面或加体外预应力等措施处理。若开裂非常严重,必要时就应废掉重做。

4.3 横向裂缝控制措施

对于在运营期间因徐变产生的横向裂缝,一般应权衡活载上桥后的下翼缘的受力和徐变基本结束后的上翼缘在恒载单独作用下的受力情况,以及梁的竖向刚度要求,在可能的情况下减小预应力度。对于一般的连续梁或连续刚构桥,在设计必要时应做徐变试验,或预留张拉孔道,以便日后出现开裂时对梁的受力进行调整,使裂缝闭合。对于在顶推法施工过程中开裂、顶推结束后闭合的裂缝,仍应采用环氧树脂予以封闭,以免在日后的运营过程中因水汽或有害气体进入,腐蚀钢筋和高强钢束,影响结构的安全及耐久性。对于在运营中发现的横向裂缝,一般应采用改性环氧树脂封闭,或在梁顶、底面用碳纤维布粘贴加固的方法处理。

4.4 龟裂的预防和处治对策

由于收缩裂缝应注意合理配置适当的构造钢筋,尽可能降低水灰比,并在混凝土浇筑后及时覆盖浇水养护,在干燥的环境下更应注意加强养生。

由于因温度变化过大造成的裂缝,首先应选择低水化热的水泥,合理配置构造钢筋;其次是对采用蒸汽养生的粱,应严格控制开始时的升温和结束时的降温时间,按规定使粱体混凝土缓缓升、降温;在寒冷地区浇筑梁体混凝土时,要采取切实可行的保温、隔热措施等。有时,新旧混凝土接逢处,沿接逢面中部的垂直方向,由于新混凝土结硬的水化热与已经结硬、冷却的旧混凝土之间存在温差;同时由于旧混凝土龄期较长,收缩大部分完成,而新浇混凝土结硬时收缩受阻等原因也会引起混凝土开裂,这种情况应该尽量避免,若必须如此,则应采取增加构造布筋和其他适当的减小温差的措施。

由于龟裂一般深入混凝土的深度不大,裂缝宽度一般也比较小,除对结构的耐久性和美观可能有影响外,不会对结构当前的受力造成影响,故可用外部涂刷或其他的封闭方法处理,以免减小钢筋的保护层厚度、使钢筋容易遭受腐蚀。

5 结 论

预应力混凝土箱梁裂缝的成因比较复杂,往往是多种因素综合作用的结果。归结起来总的来说有以下三个主要原因:(1)计算理论的不完善,如温度影响(包括水化热)、剪力滞及三向应力的计算等;(2)设计勘测和模型计算与实际情况相差较大,如基础的不均匀沉降和温度应力等;(3)施工不规范,如混凝土配合比不合理、钢筋位置偏差及预应力损失等问题。综上所述,只要把好设计、监理及施工各方面的技术和管理关,预应力混凝土连续箱梁的裂缝问题是可以得到有效的控制和消除的。

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