预应力混凝土箱梁质量通病及解决措施的分析

俞锡红

1 概述

预应力混凝土箱梁桥以其结构受力性能好、变形小、养护工程量小、抗震能力强等优点[1],在公路和城市桥梁中得到广泛采用。此类桥型在施工过程中由于结构受力复杂,受材料和温度等不确定性因素影响较多,对设计和施工都提出了很高要求。因此,对预应力混凝土箱梁桥施工中常见质量通病进行分析,从设计出发避免其发生和发展变得十分迫切。

2 混凝土表面缺陷原因分析

2.1 预应力混凝土箱梁常见裂缝

预应力混凝土箱梁常见裂缝有:纵向弯曲裂缝、纵向弯曲剪应力裂缝、预应力筋未能覆盖截面产生的裂缝、桥梁两侧箱梁腹板和独立支撑处箱梁横隔板中的裂缝、温度收缩裂缝、箱梁底板的锚下裂缝、大吨位预应力引起的裂缝。

针对常用的预应力混凝土箱梁而言,裂缝形成的原因主要有以下几点:1)主桥总体设计中对箱梁截面尺寸的拟订不合理,其中包括梁高、腹板、底板及顶板厚度尺寸,承托布置及尺寸等。2)设计抗弯、抗剪能力不足[2]。3)未合理考虑温度应力。4)对超静定预应力混凝土连续梁桥设计中的次内力影响估计不足。5)预应力钢束布置不合理。6)预应力张拉未达到设计要求。7)材料自身强度不足。8)施工技术差错或未考虑施工精度误差。

防治措施:1)设计时除按有关规范进行主应力计算外[4],还应对各种应力,尤其是局部应力的可能分布状态要有足够的定性分析和进行必要的定量分析。以便优化调整箱梁截面尺寸,合理布置预应力钢束锚固端两侧的危险截面应加以验算。2)布置适量的普通钢筋,以提高箱梁结构局部区域的抗裂性能,增加构件的局部强度,取用合理的技术经济指标。3)精心施工,充分考虑施工中的各种不利因素,对施工方法、材料强度及预应力张拉工艺等需要有可靠的保证,做到符合设计要求。4)对工程中出现的裂缝应作详细调查,进行科学分析。必要时还应进行有关实验和测试,对症下药,采取相应的对策。

2.2 预应力波纹管附近裂缝

箱梁底板在沿预应力钢束波纹管位置下出现断断续续、长短不等的裂缝,宽度大部分在0.2 mm以下。

原因分析:1)形成这一类裂缝的主要原因之一是预应力钢束的保护层厚度偏薄,加之采用的高标号水泥用量偏多,水泥浆含量偏大,导致较大的收缩变形。由于箱梁结构的内约束,包括底板截面的不均匀收缩和波纹管对混凝土收缩的约束作用,导致较大的混凝土收缩应力,超过了当时混凝土的抗拉强度,从而出现了沿波纹管纵向的收缩裂缝。2)箱梁底板横向分布钢筋间距偏大。3)箱梁底板预应力钢束布置不够合理。4)混凝土振捣不密实,养护措施不到位[3]。5)张拉预应力束时的混凝土龄期偏小。

防治措施:1)改进泵送混凝土的级配,优选降低混凝土收缩变形的材料配合比,包括水泥用量、水灰比、外加剂等。2)采取技术措施,确保预应力波纹管保护层厚度不小于5 cm。3)对底板构造钢筋和底板预应力钢筋的间距采取合理布置。4)加强对箱梁底板混凝土外表面的养护工作。5)适当放长混凝土的张拉龄期。

2.3 腹板空洞,蜂窝,麻面

箱梁浇筑混凝土拆模后,在底板与腹板连接处的承托部位,部分腹板离底板1 m高范围内出现空洞、蜂窝、麻面。

原因分析:

1)箱梁腹板一般较高,厚度较薄,在底板与腹板连接部位钢筋较密,又布置有预应力使得腹板混凝土浇筑时不易振实,也有漏振情况,易造成蜂窝。

2)若箱梁设置横隔板,一般会设预留入孔,浇筑混凝土时从预留入孔两边同时进料,易造成预留孔下部空气封堵,形成空洞。

3)浇筑混凝土时,若气温较高,混凝土坍落度小,模板湿水不够,局部钢筋太密,振捣困难;易使混凝土出现蜂窝,不密实。

4)箱梁混凝土建筑量较大,若供料不及时,易造成混凝土振捣困难,出现松散或冷缝。

5)模板支撑不牢固,接缝不密贴,易发生漏浆、跑模,使混凝土产生蜂窝、麻面。

6)施工人员操作不熟练,振捣范围分工不明确,未能严格做到对相邻部位交叉振捣,从而发生漏振情况,使混凝土出现松散、蜂窝。

防治措施:

1)箱梁混凝土浇筑前应做好合理组织和分工,对操作人员进行技术交底,划分振捣范围,浇筑层次清楚,相互重复振捣长度应取50 cm左右,一边下料[6]。

2)对设置横隔板的箱梁,混凝土要从横隔板洞口一边下料,并从洞口下另一边振出混凝土,避免空气封堵洞口下部,这样就不易在洞口下部形成空洞。

3)合理组织混凝土供料,如采用商品混凝土,现场宜有临时备用搅拌设备,以便当商品混凝土因运输或其他原因带来供料中断时予以临时供料。

4)根据施工气温,合理调整混凝土坍落度和混凝土水灰比,当气温高时,应做好模板湿润工作。

5)当箱梁腹板较高时,模板上应预留入孔,使得振捣棒可达到各部位。

6)对箱梁底板与腹板承托处及横隔板预留入孔处,应重点进行监护,确保混凝土浇筑质量。

3 预应力张拉

1)预应力钢束张拉时,钢束伸长值超过了规定的允许偏差范围,如包含平弯、竖弯的长钢束其伸长值比设计值偏小;短钢束的伸长值偏大[5]。

原因分析:a.实际使用预应力钢材弹性模量和钢束截面面积与设计计算值不一致。b.由于预应力孔道的位置不准,波纹管形成空间曲线,使张拉时钢束的摩阻力变大,当张拉到设计吨位时,预应力的实际伸长值偏小。c.预应力施工工序不规范。如在箱梁浇筑混凝土前已将双向张拉的预应力束穿好,若浇筑混凝土时产生孔道堵塞,不能用通孔器检查的,张拉时摩阻力会增大,造成伸长值偏小。d.千斤顶与压力表等预应力张拉具未能按规定定期进行校验,也会造成张拉与伸长值不一致。

防治措施:

a.预应力筋在使用前必须按实测的弹性模量和截面面积修正计算[2]。如:

其中,Δ′为修正引伸值;E′,A′分别为实测弹性模量与截面面积;E,A分别为计算弹性模量与截面面积;Δ为计算引伸值。

b.正确测得预应力筋的引伸量,按计算得引伸量误差修正值。引伸量的测量为预应力筋的直接伸长值,为此可将预应力筋伸出千斤顶尾端10 cm左右,直接测定预应力筋在张拉前、初始张拉吨位、张拉吨位及卸荷后四种情况下的伸长值[6]。

按下式计算引伸量的误差:

其中,P为张拉吨位;Po为初始张拉吨位,一般为10%～15%值;Δo为由Po到P值的实测引伸量,cm;Δ为设计引伸量,cm。

c.确保波纹管的定位准确,为此,应将波纹管的定位钢筋,点焊在上、下排的受力钢筋上,防止浇筑混凝土过程中波纹管上浮。根据需要可进行实测预应力张拉摩阻力试验,修正设计用的摩擦系数μ值,以调整预应力筋的设计伸长值。

d.若实际发生的摩阻力与预应力钢束张拉后实测值相差较大,此时可考虑使用预备孔道增加预应力束。

2)预应力混凝土箱梁张拉时发生预应力钢索的断丝和滑丝,使得箱梁的预应力钢束受力不均匀或使构件不能达到所要求的预应力度。

原因分析:a.实际使用的预应力钢丝或预应力钢绞线直径偏大,锚具与夹片不密贴,张拉时易发生断丝或滑丝。b.预应力束没有或未按规定要求梳理编束,使得钢束长短不一或发生交叉,张拉时造成钢丝受力不均,易发生断丝。c.锚夹具的尺寸不准,夹片的锥度误差大,夹片的硬度与预应力筋不配套,易断丝和滑丝。d.锚圈放置位置不准,支承垫块倾斜,千斤顶安装不正,也会造成预应力钢束断丝。e.焊接施工时,把接地线接在预应力筋上,造成钢丝间短路,损伤钢绞线,张拉时发生断丝。f.浇筑箱梁混凝土前已先把钢束穿入波纹管,造成钢丝锈蚀,浇筑的混凝土砂浆留在钢束上,又未清理干净,张拉时产生滑丝。防治措施:a.穿束前,预应力钢束必须按技术规程进行,梳理编束,并正确绑扎。b.张拉前锚夹具需按规范要求进行检验,特别对夹片的硬度一定要进行测定,不合格的予以调换。c.张拉预应力时锚具、千斤顶安装要准确。d.当预应力张拉达到一定吨位后,如发现油压回落,再加油压又回落,这时有可能发生断丝,若这样,需更换预应力钢束,重新进行预应力张拉。e.焊接时严禁利用预应力筋作为接地线,也不允许发生电焊烧伤波纹管与预应力筋。f.张拉前必须对张拉端钢绞线进行清理,如发生钢绞线锈蚀应重新调换。

4 结语

通过近几年的工程实践,可总结箱梁结构如能在设计方面进一步完善,例如底板、腹板适当加厚,波纹管尺寸略微加大,施工方面合理选择粗骨料粒径,优化施工工艺,同时严格按施工规范要求进行预应力张拉压浆,就能减轻并消除预应力混凝土组合箱梁的质量通病,保证预应力混凝土箱梁的内在质量和外在质量,使得箱梁这种结构形式得到更大的推广应用。

[1]范立础,顾邦安.桥梁工程(上册)[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]杨宗放.现代预应力混凝土施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[4]JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[5]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[6]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S]