大体积混凝土桥墩裂缝加固技术

孙全胜 余海燕

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

·桥梁·隧道·

大体积混凝土桥墩裂缝加固技术

孙全胜 余海燕

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

以某一实际工程为例，根据裂缝特征、环境条件和实际调查分析，得出桥墩裂缝产生的原因为设计构造配筋不足，在温度效应和荷载效应的共同作用下而开裂，并结合实际，提出粘贴钢板法、复合砂浆预应力钢绞线法、增大截面法和体外预应力法等几种加固方案，同时对几种方案进行分析比较，最后重点介绍复合砂浆预应力钢绞线的加固施工过程。

桥墩，桥梁加固，裂缝，复合砂浆预应力钢绞线

1 工程概况

桥墩是用于支撑桥梁上部结构，并将上部结构传来的作用传至基础和地基的构件[1]。当桥墩产生裂缝时，会降低桥墩的抗渗能力，引起桥墩钢筋锈蚀和混凝土碳化，从而降低其耐久性，缩短其使用寿命，与此同时还削弱了桥墩的承载能力。为使开裂桥墩的耐久性和结构安全性满足规范要求，需对其做出加固处理。

桥墩裂缝产生的原因很多，主要包含以下四种：1)结构荷载；2)使用环境；3)设计不当，包括材料、配筋及其配合比设计不当；4)施工不良[2]。对桥墩裂缝处理前需对其产生原因进行分析，有助于桥梁病害防治，具有很大的经济、社会效益。

现今，桥梁裂缝加固的常用措施有：裂缝封闭处理、粘贴钢板法、体外预应力法、增大截面法、纤维包裹法等[3,4]。复合砂浆预应力钢绞线法也是体外预应力的一种，属于有粘结预应力加固，将小直径预应力钢绞线布置在混凝土的受拉区，利用紧线器张拉后固定在自制锚具上，并喷涂复合砂浆，使其与原钢筋混凝土共同作用来提高结构的强度和刚度，从而保证桥梁结构得以继续使用，达到安全、适用、耐久性的要求。

2 桥墩裂缝产生的原因

某桥主桥为跨径组合3×81.3 m的下承式有风撑钢管混凝土系杆拱桥，桥墩属于大体积混凝土结构，横向长28.6 m或29.5 m、纵向宽5.1 m。在对该桥桥墩技术状况进行检查时，发现主桥桥墩大小桩号侧面均出现竖向贯通裂缝，裂缝宽度达0.15 mm～0.30 mm，如图1所示。

由现场裂缝可知：收缩性裂缝不深，一般不超过保护层厚度，常由基础向上发展，逐渐变窄，碳化裂缝常为枣核形，而此桥墩裂缝最大深度达6.2 cm，宽度均一；碱骨料反应的裂缝为放射状且有盐析、表面凸起的现象，因此也不符；盐类腐蚀虽会引起竖向裂缝，但钢筋受盐蚀锈胀，桥墩角部混凝土易先开裂，现场未见角部混凝土开裂，无锈水渗漏，且该桥流经水为淡水，盐害腐蚀开裂的可能性不大。经排查，初步分析产生裂缝的原因主要有两点：

1)桥墩属于大体积混凝土构件(截面尺寸大于1 m)，当混凝土内外形成温差时易产生裂缝，例如：在浇筑期间的水泥水化放热、施工至运营期间外界环境温度的骤然变化等。而且该桥墩未设置散热管，致使桥墩内外温度梯度更加明显。

2)桥墩构造配筋不足，当桥墩在恒载和活载的作用下产生拉应力时，易产生裂缝。

综上可知，由于桥墩在施工时期产生的水化热和运营时期的大气温差使桥墩内部形成不均匀的温度场，而桥墩配筋不足，致使桥墩的抗拉能力不足以抵抗其产生的温度应力和荷载应力而开裂。

3 桥墩加固方案

由于本桥地处市区，在研究加固方案时一直把外观质量作为主要考虑的因素，同时考虑加固效果的可靠性、经济合理性、技术合理性和施工便捷性的要求，现将几种方案叙述如下。

3.1 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固法是一种适应于钢筋混凝土结构物的补强加固技术，它采用环氧树脂系列粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉缘或薄弱部位，以改善和提高结构物的力学性能，增强结构物的承载能力[5]。针对桥墩产生的裂缝起到约束其继续发展的目的，本桥拟采取在桥墩四周粘贴横向通长宽300 mm、厚4 mm的钢板，竖向间距750 mm，具体如图2所示。

3.2 复合砂浆预应力钢绞线加固法

应用了小直径钢绞线和复合砂浆两种加固材料，采用简单设备进行张拉，自制锚具锚固。通过在桥墩大小桩号侧面张拉横向间距为5 cm的Φ4 mm钢绞线，且通过自制的P型锚具和小型张拉设备锚固在桥墩上。钢绞线有效控制张拉力f=80 kN，可采用张拉设备多次张拉以达到设计应力值。P型锚头采用铝套筒，张拉前采用千斤顶紧压锚头，使得钢绞线与铝套筒紧压在一起，具有一定的紧压力，具体如图3所示。

利用体外施加的预应力，对墩身产生附加压应力，从而改变墩身的应力分布，增强墩身的抗裂能力，并最终在钢绞线外侧涂抹3 cm厚复合砂浆，以对钢绞线起到防腐的作用，提高材料耐久性，并将钢绞线与墩身形成一体，使砂浆、钢绞线和墩身混凝土联合起来共同工作，属于一种新型的有粘结预应力加固方法。

加固后墩身产生0.60 MPa～0.65 MPa的附加压应力，增加其抗裂能力，可有效防止裂缝发生，对于原有裂缝处的裂缝最多可回缩0.528 mm～0.591 mm，增加的附加压应力既可缩小原有裂缝的宽度，又可防止裂缝继续发展。

3.3 增大截面加固法

增大截面法是在桥墩表面外包钢筋混凝土，以增大截面的尺寸，提高其配筋率，并且使新旧混凝土形成整体共同受力，从而增大桥墩截面的刚度和承载力[6]。本方案采取在桥墩四周外包厚度为30 cm的钢筋混凝土。外包混凝土与现状桥墩之间采用植筋的方式连接，植筋直径为16 mm，间距为30 cm，植筋深度为25 cm。外包层混凝土采用双层直径20 mm的钢筋，钢筋间距为25 cm，具体如图4所示。

3.4 体外预应力加固法

在桥墩墩身横向侧面分别张拉1×Φs15.2 mm钢绞线，用于对墩身施加预压力，采用8 mm厚角钢和锚箱锚固在桥墩上。预应力钢绞线采用抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，公称直径d=15.2 mm的低松弛高强度钢绞线。控制应力σcon=0.7fpk，运用张拉设备多次张拉以达到设计应力值。待角钢锚固牢固后张拉钢绞线，钢绞线采用两端张拉，具体如图5所示。

当钢绞线安装并通过角钢和锚箱实施横向拉力后，钢绞线内将产生较大横向拉力，于是桥墩受拉区就受到钢绞线预压应力的作用，桥墩中受拉应力也就相应减少，裂缝相应地回缩，以改变桥墩的受力特性和耐久性，属于一种无粘结预应力加固方法。

加固后墩身分别产生0.076 0 MPa～0.078 3 MPa的附加压应力，可增加桥墩抗裂能力，对于原有裂缝处的裂缝最多可回缩0.069 mm～0.073 mm，虽增加的附加压应力可缩小原有裂缝的宽度，但效果不是很明显。

4 方案比选

分别在美观、加固效果、施工难易程度和经济等多个方面对上述四种加固方案进行比较，如表1所示。

表1 各方案综合比较表

从以上的分析比较中可以看出：方案一和方案四均对墩身施加了预压力，使墩身各截面产生附加压力，增强桥墩的抗裂能力，减小原有裂缝的宽度，并防止裂缝继续发展。但是相比方案一，方案四效果不明显。另外方案一加固法每根钢绞线所需张拉力小，可用简单设备人工进行张拉，同时采用复合砂浆外包桥墩，使钢绞线和墩身混凝土结合在一起，既保证了两者共同工作发挥作用，又对钢绞线起到防腐的作用，增强其耐久性。方案四只有本身的一种防护措施，而表面没有添加砂浆或混凝土进行防护，长期裸露在外界环境中，耐久性很差。方案二和方案三并不能对原有裂缝起到封闭的作用，只能通过外加补强以增加桥墩的承载能力而防止裂缝继续增大。且相比方案一，方案二造价高，方案三施工工序多。

综上，复合砂浆预应力钢绞线加固法不仅从根本上解决了桥墩产生裂缝的问题，对墩身施加预应力后明显改善了墩身的受力状况，确保结构安全，且加固后美观，施工方便，造价低。因此，根据桥墩的实际状况推荐选择复合砂浆预应力钢绞线加固法为首选方案。

5 复合砂浆预应力钢绞线加固桥墩

复合砂浆预应力钢绞线加固桥墩是一种桥梁结构加固补强的新技术，将小直径预应力钢绞线布置在混凝土桥墩的受拉区，利用紧线器张拉后固定在自制锚具上，并喷涂复合砂浆，使其与原钢筋混凝土桥墩共同作用来提高桥墩的强度和刚度，从而保证桥梁结构得以继续使用，达到安全、适用、耐久性的要求。

复合砂浆预应力钢绞线加固桥墩技术属于有粘结预应力主动加固体系，该方法不同于以往主动加固的桥梁加固方法，突破了以往研究的传统的砂浆与钢筋等组合，是一种有所创新的桥梁加固技术。加固效果明显，不仅能缩小桥墩裂缝，而且可以明显改善桥墩的抗拉性能。

加固工艺流程分为：1)封闭裂缝、基底打磨处理；2)开槽粘钢，安装锚具；3)反力点设置；4)锚固端制作；5)涂刷界面剂；6)对称张拉；7)高强锚固砂浆处理(端部锚固区锚固砂浆采用高性能砂浆或环氧砂浆，强度高、硬化快。协助端部锚头传递钢绞线中的预应力，减轻端部锚具的负荷状况)；8)聚合物砂浆处理。

6 结语

桥墩裂缝严重影响结构的耐久性和安全性能，通过本桥的加固实践可以得出：

1)复合砂浆预应力钢绞线加固施工便捷，工效高，湿作业少，对结构的形状和外观影响不大，价格便宜，且加固施工质量容易保证，加固效果明显。

2)对桥墩进行加固前需针对具体病害具体分析才能制定合理有效的加固方案。

3)为保证大体积混凝土桥墩的质量，需要在设计、施工和养护各个环节注意。

[1] 姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2] 中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会，混凝土质量专业委员会，高强与高性能混凝土专业委员会.钢筋混凝土结构裂缝控制指南[M].北京:化学工业出版社,2004:1-10.

[3] 朱银珠.体外预应力法加固桥墩[J].桥梁建设,2004(2):66-68.

[4] 曹 兴,魏 洋,李国芬,等.钢筋混凝土桥墩加固与修复技术研究[J].施工技术,2011(15):60-64.

[5] 李玉鹏.碳纤维布约束混凝土柱受压性能试验研究及理论分析[D].上海：同济大学,2006.

[6] 蒋 渭.现役桥梁增大截面加固法研究[D].西安：长安大学,2011.

Reinforcement technology of mass concrete pier’s crack

Sun Quansheng Yu Haiyan

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040，China)

In an actual project as an example, according to the crack’s shape feature, environmental conditions, the practical investigation and research, what the pier was crazed by lacking of designed structure reinforcement, even the temperature effect and load effect. Combined with the actual, present seceral methods, such as binding of steel plates method, composite mortar prestressed strand method, section enlargement method and using of external prestressing are proposed and compared. Finally, the composite mortar prestressed strand method and construction process are presented in details.

pier, bridge strengthening, crack, composite mortar prestressed strand

1009-6825(2015)02-0145-03

2014-11-05

孙全胜(1968- )，男，博士后，博士生导师，教授； 余海燕(1992- )，女，在读硕士

U445.72

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