对大跨径预应力混凝土箱梁裂缝问题探讨

时间:2022-08-23 03:28:06

对大跨径预应力混凝土箱梁裂缝问题探讨

摘要:大跨径预应力混凝土箱梁以其良好的结构性能与优美的外形,在全球各地得到了广泛应用。但一些跨径预应力混凝土箱梁桥在运营一段时间后,会出现混凝土结构开裂等病害,这些病害影响了桥梁结构的使用性能和寿命。本文分析了大跨径预应力混凝土箱梁裂缝的成因,并提出了预防改进措施。

关键词::大跨径;预应力;混凝土箱梁;裂缝成因;预防措施

0 前言

随着我国路桥建设的快速发展,预应力混凝土连续箱梁桥以其结构刚度大,变形小,伸缩缝少,行车平顺舒适,抗风、抗震能力强以及后期养护简单等优点,已成为公路建设中最主要的桥型之一。然而近十多年来,很多大跨径预应力混凝土梁桥在运营一段时间后, 暴露出一系列的问题,其中,混凝土结构开裂问题较为突出,而且裂缝随着时间延续而不断发展,直接影响着结构的安全性与正常使用性能,对结构的耐久性造成很大危害,进而影响其在工程建设中的进一步推广。

1 工程概况

某桥型布置为110 m+190 m+110 m(预应力混凝土连续刚构主桥)+2×40m(预应力混凝土连续梁引桥),桥长490 m。主桥箱梁分左右两幅,每幅主梁为变截面单箱单室截面。箱梁顶宽13.50 m,底宽7.5 m,悬臂长度3.0 m,顶板厚26 cm,底板厚40~150 cm,腹板厚50~140 cm。主桥箱梁采用挂篮,现浇后张法施工。裂缝出现在挂篮对称施工初期,预应力张拉后裂缝略有发展。

2 主要表现特征

(1)桥墩部分0# 块腹板靠箱室内侧存在竖向裂缝,其中一条宽度达0.75 mm。

(2)箱梁腹板混凝土分层浇筑处普遍存在纵向接缝的现象,并且在接缝处有麻面现象。在梁段接头处,也存在竖向裂缝。按照《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041-2000)(下称《规范》)的要求,经凿毛处理的混凝土面,应用水冲洗干净,在浇筑混凝土前,对垂直施工缝宜刷一层水泥浆,一层厚度为10~20 mm 的1∶2 的水泥砂浆。

(3)箱梁腹板无竖向裂缝,除接缝外,还有倾角较小的纵向裂缝。这些裂缝处明显伴有白色结晶物(此白色结晶物主要是混凝土里面的CaO 和H2O 作用长生的Ca(OH)2,有少数裂缝没有白色结晶物),并且在靠近现浇梁段的腹板裂缝,明显有水渗出。有的腹板裂缝有赤黄色的液态水(初步认定是锈水)流出。

(4)腹板纵向裂缝主要集中在以下部位:底板和腹板的接头处,该处可能是底板和腹板的接缝;张拉端头附近有沿波纹管竖曲线形状分布的纵向裂缝;顶板和腹板的导角处有少许小裂缝。

(5)箱梁底板上表面(箱室内)有宽度较大1.75 mm 的横向裂缝,并且伴有形状不规则的裂纹。在上游3# 墩3# 块养生期间,由于底板室内上表面冲洗得比较干净,我们观测到了此类裂缝。箱梁底板较厚,属于《规范》范畴内的大体积混凝土,此处的水化热将更大,更易产生裂缝。

(6)箱梁底板下表面存在纵向裂缝和横向裂缝。在上游4# 墩河侧3# 块,由于前一段梁挂篮底板后端处尚有施工架,我们可以观测到该梁段存在纵向裂缝,宽0.15 mm,并且,在该底板1# 块和2# 块接头附近,存在宽0.15 mm 的横向裂缝。

(7)箱梁的纵向裂缝除接缝外(尤其是张拉端__头处的纵向裂缝),一般都是倾角向下,指向地面(即裂缝在靠近0# 块的一头略高)。

3 裂缝的成因分析

在观察裂缝的分布规律并认真分析之后,认为混凝土的水化热可能是致使箱梁开裂的主要原因之一,还有其它的诸如设计以及在施工等也可能使箱梁开裂。

(1)主桥箱梁目前所浇筑的梁段腹板厚达70 cm,根据《规范》的规定,接近于一般意义上的大体积混凝土,如果养生措施不到位,极容易产生较大的水化热;

(2)主桥箱梁所采用的C60 混凝土配合比每立方混凝土水泥用量高达460 kg,而根据《规范》的规定,大体积混凝土的水泥用量不得超过350 kg/m3,并且粉煤灰的等级较低,掺量较少。

(3)混凝土入模温度为36 ℃,腹板内混凝土在其浇筑后18 h 达到最大温度73.5 ℃,混凝土内外表面温差在混凝土浇筑后22h 达到最大值40.5 ℃。《规范》规定:大体积混凝土内外温差不得超过25 ℃。混凝土入模温度过高以及并未采取特别的养生措施,致使腹板混凝土浇筑后的绝对温升较大,特别是内外温差过大。混凝土浇筑后13~40 h 之内外表面长期处于25 ℃以上的温差,并且在底板上由于厚度更大,这个时间将更长,加之混凝土本身的收缩而导致目前梁上混凝土裂缝的出现。

(4)张拉端头附近沿波纹管竖曲线形状分布的纵向裂缝,是因为该处由于波纹管的存在,使得该处箱梁的厚度消减,成为受力的最不利截面,该处受力最为复杂,再加上水化热的影响,因此出现了裂缝。

(5)在梁段浇筑之后养生期间,在箱梁的底板上表面(箱室内),也发现了开裂现象。由于底板厚于腹板,更容易产生较大的水化热,这致使底板产生裂缝。

(6)在梁段张拉之前,在腹板内侧就发现了很明显的裂缝,这说明混凝土浇筑之后养生期间就已经产生了裂缝。因此,可以初步判断裂缝的出现并不是由于预应力筋的张拉所导致。这里取裂缝出现最多的3# 梁段进行计算分析:根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)规范要求,布置有曲线预应力钢筋的构件,其曲线平面内最小混凝土保护层厚度为:

Pdds

Cmin≥ 一

0.266rfcu’1/2 2

式中:Pd―――预应力钢筋的张拉设计值,此处为F3 钢束,值为4 295 kN;

fcu’―――预应力钢筋张拉时,边长为150 mm立方体混凝土抗压强度,值为60×85%=51 MPa;

r ―――管道曲线半径(mm),值为6 000 mm(平弯);

ds―――管道外缘直径,值为110 mm。

4 295 000 110

Cmin=一 =321.830 mm

0.266×6 000×511/22

算出曲线平面内Cmin 的值为321.830 mm,即为设计规范要求的最小混凝土保护层厚度32 cm,此段腹板厚度为70 cm(见图1),平弯一侧的混凝土厚度为55-11/2=49.5 cm>32 cm,大于规范要求的最小混凝土厚度32 cm。设计满足规范要求。由此可以判定腹板裂缝并不是由于预应力平弯引起的构造裂缝。

(7)0# 块梁高10.5 m,分两次浇筑。第一次浇筑至4.5m 高处,而上游侧的竖向裂缝刚好从此截面开始向上延伸至顶板与腹板的导角处,这两次浇筑存在一定的时间差,这就导致了新浇混凝土和已浇混凝土有一定的收缩差;并且在0# 块存在两道厚度达2.2 m 的横隔板,从而成为了影响0#块箱梁腹板自由收缩的边界条件;再加上水化热的影响,因此在该梁段产生了竖向裂缝。

4优化改进措施

针对箱梁开裂的原因做出如下设计优化措施:

(1)腹板内加入防裂钢筋网,减小混凝土收缩;

(2)为防止将来箱梁底板由于预应力开裂,底板增设φ12 防裂钢筋;

(3)增加竖向预应力。同时,对施工工艺流程进行改进和优化:

(4)优化调整混凝土的配合比,适量增加粉煤灰用量,尽可能降低水化热;

(5)加强养生,尽可能减少混凝土收缩以及内外温差;

(6)优化混凝土施工方案,腹板一次性现浇。

(7)在设计中考虑剪力滞效应。箱梁在对称荷载作用下的弯曲存在剪力滞现象,特别是大跨度预应力混凝土桥梁中所用的宽箱梁 ,(腹板间距较大的单箱单室的箱梁),剪力滞效应尤为明显。此时,T梁翼缘有效分布宽度的计算方法已不能直接应用。因此,必须研究宽箱梁的剪力滞效应,寻求符合实际情况的计算方法。

(8)支架的地基处理应规范,地基处理完毕后,应进行与施工条件相似情况下的地基承载力试验,确保支架的沉降在允许范围内,即24h 沉降量小于1mm。浇筑混凝土前,对支架进行1.2倍梁身重量的荷载预压,消除支架变形。预压时间一般应不小于5d.

(9)及时对既有裂缝进行修补,防止进一步发展。改进以后,箱梁裂缝出现频率明显减小,并随着气温的下降和梁体体积的减少,后期合龙阶段已无裂缝出现。

图1 腹板计算例图

5结束语

类似连续刚构桥在浇筑大体积混凝土时,要特别注意温度的控制,应根据具体的条件,选择合理的施工方法。大桥成桥后荷载实验表明,桥梁的强度和刚度均满足设计要求。现在大桥已经通过交工验收,使用情况良好。

参考文献:

[1]JTJ041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[2]JTG D60―2004,公路桥涵设计通用规范[S].

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

注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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