大跨徑PC箱梁橋腹板開(kāi)裂與處治綜述

鄭博 梁軍林 李叢 傅濤

摘要：文章在歸納總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫研究的基礎(chǔ)上，從混凝土和豎向預(yù)應(yīng)力筋的施工性能兩個(gè)方面分析他們對(duì)腹板裂縫的影響。結(jié)論顯示：高強(qiáng)混凝土較大的自收縮和較高的脆性是造成腹板出現(xiàn)早期裂縫的重要原因;根部腹板大體積混凝土施工時(shí)過(guò)大的水化熱會(huì)造成腹板在施工階段出現(xiàn)貫通裂縫;豎向預(yù)應(yīng)力筋采用性能優(yōu)良的CFRP筋能有效降低豎向預(yù)應(yīng)力損失;豎向預(yù)應(yīng)力筋采用滯后張拉并保證豎向預(yù)應(yīng)力筋間距與腹板半高比s/c<0.5，腹板截面不同高度處預(yù)應(yīng)力效率均較高。

關(guān)鍵詞：腹板;大體積混凝土;水化熱;預(yù)應(yīng)力損失;滯后張拉

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土（Prestressed Concrete，PC）連續(xù)箱梁橋和剛構(gòu)橋具有整體性好、截面抗彎與抗扭剛度大、跨越能力強(qiáng)、適合多種現(xiàn)代施工方式（預(yù)制拼裝、懸臂澆筑、頂推等）的優(yōu)點(diǎn)。同跨越能力相近的斜拉橋和懸索橋相比，工程經(jīng)濟(jì)性也更加合理[1][2]。1952年，德國(guó)首次運(yùn)用懸臂澆筑施工技術(shù)建成第一座跨徑超過(guò)100 m的PC箱梁橋——Worms橋;1988年，我國(guó)建成第一座大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋——廣東洛溪大橋。此后，短短幾十年內(nèi)，PC箱梁橋在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用和飛速的發(fā)展。然而，投入使用的大跨徑PC箱梁橋普遍出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂，箱梁腹板斜裂縫是最為普遍和嚴(yán)重的裂縫類型之一[3]。梁體的開(kāi)裂使原本由混凝土包裹的鋼筋暴露在空氣中，加速了鋼筋的銹蝕，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，使大跨徑PC箱梁橋在恒載和活載作用下的撓度進(jìn)一步增大，嚴(yán)重影響了橋梁的正常使用性能和耐久性能。

眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)箱梁腹板裂縫問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，取得了一系列研究成果。本文從大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫基本特征、腹板混凝土和豎向預(yù)應(yīng)力筋施工性能三個(gè)方面去論述大跨徑PC箱梁橋腹板開(kāi)裂與處治研究的現(xiàn)狀和展望。

1 大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫基本特征

1.1 大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫類型

申時(shí)庵依據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因?qū)⒒炷两Y(jié)構(gòu)裂縫分為荷載裂縫和非荷載裂縫[4]。交通部公路科學(xué)研究院王國(guó)亮等人[5]則通過(guò)對(duì)全國(guó)公路系統(tǒng)主跨>60 m的近180座PC箱梁橋梁體裂縫進(jìn)行了調(diào)查與分析統(tǒng)計(jì)工作，指出大跨徑PC箱梁橋100%出現(xiàn)開(kāi)裂且跨徑>150 m的箱梁橋相對(duì)于其他跨度的開(kāi)裂程度更嚴(yán)重，并依據(jù)裂縫出現(xiàn)的位置和原因?qū)⒋罂鐝絇C箱梁橋腹板裂縫形態(tài)和裂縫分布規(guī)律歸納如表1所示。

1.2 大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫形態(tài)特征

裂縫的形態(tài)特征包含裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度以及深度等指標(biāo)。大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫形態(tài)特征與施工質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件、箱梁截面形式與尺寸、荷載大小和作用形式以及外界環(huán)境影響等因素有關(guān)，其基本特征如下：一般對(duì)稱分布于橋梁縱軸兩側(cè)，且腹板內(nèi)側(cè)數(shù)量多于外側(cè);裂縫寬度呈現(xiàn)為中間大、兩端小的形態(tài);已成型的腹板裂縫在夏季時(shí)的裂縫寬度較冬季時(shí)有所增大，約增長(zhǎng)20%;沿預(yù)應(yīng)力管道裂縫較長(zhǎng)且不連續(xù);彎剪裂縫寬度較大且常與腹板斜裂縫貫通[5-8]。

2 優(yōu)化大跨徑PC箱梁橋腹板混凝土的施工性能

混凝土是由水泥、沙、石拌和而成的組合材料，其內(nèi)部存在氣穴、微孔和微裂縫，并不是理想中的均質(zhì)材料。混凝土收縮變形受到限制產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)開(kāi)裂?；炷恋氖湛s可分為五種類型：溫度收縮、塑性收縮、碳化收縮、自收縮和干燥收縮[9]。

2.1 溫度收縮

余文濤[10]指出，日照溫差、驟然降溫、蒸汽養(yǎng)護(hù)或冬季施工養(yǎng)護(hù)不當(dāng)、施工氣候炎熱以及水化熱等原因均會(huì)引起腹板的溫度收縮。大跨徑PC箱梁橋根部腹板尺寸較大、水泥用量較多，腹板混凝土由于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化熱較多、絕熱溫升大且溫度峰值高，是造成腹板出現(xiàn)溫度收縮裂縫的主要原因[11][12]。腹板混凝土內(nèi)部溫度在水化反應(yīng)初期較高，外側(cè)由于混凝土的導(dǎo)熱性不好而溫度較低，此時(shí)腹板混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，而外側(cè)混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，腹板混凝土內(nèi)部溫度隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行迅速下降，其由早期受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，腹板有產(chǎn)生貫通裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。此類裂縫在預(yù)應(yīng)力尚未張拉、拆模檢查時(shí)就可能出現(xiàn)，并且只在當(dāng)前施工梁段內(nèi)發(fā)展。汪建群和方志[13]通過(guò)對(duì)實(shí)橋進(jìn)行測(cè)試，指出0#塊及其附近厚度較大處腹板存在貫通裂縫，而距離根部較遠(yuǎn)的較薄腹板處未出現(xiàn)裂縫，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指出腹板厚度為0.7 m的2#塊腹板混凝土外側(cè)在水化反應(yīng)初期由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力最高可達(dá)2.05 MPa，大于腹板外側(cè)混凝土的即時(shí)抗拉強(qiáng)度1.25 MPa;腹板混凝土內(nèi)部在水化反應(yīng)后期由于溫度迅速下降產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土的即時(shí)抗拉強(qiáng)度2.46 MPa。

大跨徑PC箱梁橋根部腹板出現(xiàn)早期裂縫的本質(zhì)是腹板單次水化反應(yīng)生成的水化熱過(guò)多導(dǎo)致腹板混凝土內(nèi)外變形不協(xié)調(diào)。因此，可摻加適量粉煤灰和礦粉來(lái)減少水泥用量從而降低腹板溫度峰值，或在根部腹板澆筑前埋設(shè)通水管，澆筑時(shí)通水降溫并采用保溫保濕的養(yǎng)護(hù)措施，降低腹板內(nèi)外溫差峰值，從而預(yù)防腹板早期溫度收縮裂縫的產(chǎn)生。

2.2 塑性收縮

塑性收縮是指混凝土終凝前，水化反應(yīng)、水分蒸發(fā)以及重力作用等因素造成處于塑性狀態(tài)的混凝土發(fā)生沉降收縮[14]。在澆筑大跨徑PC箱梁橋節(jié)段混凝土?xí)r，下料過(guò)快或振搗不均勻會(huì)導(dǎo)致粗骨料沉漿，造成在鋼筋表面只有水泥砂漿，最終會(huì)由于塑性收縮過(guò)大以及局部強(qiáng)度較低而出現(xiàn)沿預(yù)應(yīng)力管道表面方向的裂縫。

腹板沿預(yù)應(yīng)力管道的裂縫使縱向預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生移位，增大了預(yù)應(yīng)力損失，還降低了腹板有效截面面積，使腹板有產(chǎn)生斜向裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。因此，澆筑大跨徑PC箱梁橋節(jié)段腹板時(shí)應(yīng)緩慢下料并振搗均勻，從而減小混凝土塑性收縮值。

2.3 碳化收縮

混凝土碳化指混凝土水泥水化物中的Ca（OH）2結(jié)晶體與空氣中的CO2等酸性氣體在有水的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土趨于中性化。碳化收縮量級(jí)不大，對(duì)大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫的影響可不計(jì)[10]。

2.4 干燥收縮和自收縮

大跨徑PC箱梁橋普遍采用高強(qiáng)混凝土，水膠比或水灰比較低且摻有大量的活性礦物摻合料與高效減水劑。低水膠比或水灰比使混凝土內(nèi)部含水量較少，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥石毛細(xì)管壓強(qiáng)由于失水而升高導(dǎo)致水泥石承受負(fù)壓，混凝土發(fā)生自收縮。同時(shí)，礦物摻合料比表面積較大且具有較高的火山灰活性加速了水化反應(yīng)，水泥石毛細(xì)孔飽和度逐漸降低發(fā)生自干燥收縮[15]。高強(qiáng)混凝土較高的脆性降低了抗斷裂性能，使PC箱梁橋由于混凝土溫度收縮和自收縮引起的早期裂縫在后期荷載的作用下迅速發(fā)展延伸。近幾十年來(lái)，我國(guó)對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度要求越來(lái)越高，水泥比表面積和C3S與C3A含量的增大加劇了混凝土的溫度收縮和干燥收縮。早期高強(qiáng)混凝土的彈性模量較高而徐變變形較小，混凝土早期徐變變形不足以釋放約束條件下腹板較大收縮產(chǎn)生的高應(yīng)力，腹板有早期開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[16]。因此，PC箱梁橋施工時(shí)，在保證強(qiáng)度滿足條件的情況下，應(yīng)盡量選用比表面積小且C3S與C3A含量低的水泥，從而減小混凝土的自收縮值和干燥收縮值。

綜上所述，混凝土溫度收縮、塑性收縮、干燥收縮及自收縮是引起PC箱梁橋腹板早期裂縫形成與發(fā)展的重要原因。同時(shí)，現(xiàn)行規(guī)范[17]中計(jì)算收縮徐變的公式是以試驗(yàn)室縮尺模型的試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)確定，不能真實(shí)地反映大跨徑PC箱梁橋腹板所處的復(fù)雜實(shí)際情況。汪劍和方志[18]以衡昆高速公路沿線兩座大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋?yàn)橐劳校ㄟ^(guò)實(shí)測(cè)與對(duì)比分析指出，對(duì)實(shí)際PC箱梁橋中混凝土收縮徐變作用及其效應(yīng)認(rèn)識(shí)的不足是造成箱梁腹板開(kāi)裂的重要原因之一，建議在缺乏實(shí)際資料的情況下，采用GL2000模型進(jìn)行箱梁橋的收縮徐變效應(yīng)計(jì)算并進(jìn)行針對(duì)性的加固，為現(xiàn)場(chǎng)施工人員提供了實(shí)用的建議。

3 優(yōu)化大跨徑PC箱梁橋腹板豎向預(yù)應(yīng)力筋的施工性能

主拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力超限產(chǎn)生的腹板斜向裂縫是大跨徑PC箱梁橋中出現(xiàn)最多的腹板裂縫類型[19][20]。在腹板中設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋可限制剪切應(yīng)力，使腹板在縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力的共同作用下處于雙向受壓狀態(tài)，能有效抑制腹板斜向裂縫的出現(xiàn)[21]。然而，腹板開(kāi)裂問(wèn)題在大跨徑PC箱梁橋設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋后并未得到有效控制[22]。趙寶俊[23]通過(guò)試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬指出，其本質(zhì)原因是腹板豎向預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大，腹板截面混凝土的抗拉強(qiáng)度以及有效豎向預(yù)應(yīng)力與縱向預(yù)應(yīng)力的耦合作用不足以抵抗截面主拉應(yīng)力。腹板截面有效豎向預(yù)應(yīng)力過(guò)小主要有以下四個(gè)方面的原因：（1）施工時(shí)，豎向預(yù)應(yīng)力筋的張拉時(shí)間不合理導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大或早期主拉應(yīng)力過(guò)大在腹板中造成開(kāi)裂;（2）混凝土的收縮徐變與溫度變化等非荷載因素造成的豎向預(yù)應(yīng)力損失值難以計(jì)算準(zhǔn)確;（3）豎向預(yù)應(yīng)力筋較短且伸長(zhǎng)量較小造成錨具回縮和接縫壓縮等引起的相對(duì)回縮比例較高，預(yù)應(yīng)力損失比例較大;（4）未充分考慮豎向預(yù)應(yīng)力筋的錨下擴(kuò)散效應(yīng)和應(yīng)力空白區(qū)以及腹板的應(yīng)力分布狀態(tài)。

鑒于以上對(duì)造成腹板豎向有效預(yù)應(yīng)力過(guò)小的原因的分析，本文分別從豎向預(yù)應(yīng)力筋的施工技術(shù)、豎向預(yù)應(yīng)力筋的材料種類及錨具體系、腹板截面的應(yīng)力分布狀態(tài)三個(gè)方面論述大跨徑PC箱梁橋腹板的開(kāi)裂與處治研究。

3.1 優(yōu)化豎向預(yù)應(yīng)力筋的施工技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)工地普遍采用后張法豎向預(yù)應(yīng)力體系，其傳力錨固時(shí)的預(yù)應(yīng)力損失主要包括預(yù)應(yīng)力筋與管道壁間的摩擦損失σl1，錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的損失σl2及混凝土彈性壓縮引起的損失σl4[17]。

無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋是帶防腐隔離層和外護(hù)套的專用預(yù)應(yīng)力筋，其不與混凝土直接接觸的特點(diǎn)能消除σl1的影響。相比于后張法預(yù)應(yīng)力筋，其施工簡(jiǎn)便、抗疲勞性能和抗震性能更加優(yōu)越。劉山洪等[24]通過(guò)對(duì)大跨徑PC連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫的研究指出，采用無(wú)粘結(jié)豎向預(yù)應(yīng)力技術(shù)能有效降低豎向預(yù)應(yīng)力損失。實(shí)際施工時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋的張拉普遍集中在較短時(shí)間內(nèi)，對(duì)結(jié)構(gòu)的早期受力性能要求較高。鐵道部基于鋼束與帶有螺紋套管之間緩凝材料（超效緩凝砂漿或環(huán)氧樹(shù)脂）逐步固化的性質(zhì)提出了緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)，改善了預(yù)應(yīng)力筋的張拉時(shí)間限制，從而可錯(cuò)開(kāi)作業(yè)的高峰期，能有效改善腹板的早期受力性能。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)施工簡(jiǎn)單，具有良好的粘結(jié)性能和結(jié)構(gòu)性能，能有效降低σl1和σl4。同時(shí)，姚日高[25]指出，采用真空輔助壓漿技術(shù)能顯著改善漿體的流動(dòng)性能，從而避免預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)出現(xiàn)空洞，能大幅提高漿體的密實(shí)效果，降低預(yù)應(yīng)力筋回縮引起的豎向預(yù)應(yīng)力損失。

3.2 優(yōu)化豎向預(yù)應(yīng)力筋的材料種類及錨具體系

豎向預(yù)應(yīng)力筋伸長(zhǎng)量較短造成相對(duì)回縮所占比例較高以及錨具性能較差是造成預(yù)應(yīng)力損失σl2大的主要原因，因而選用性能更加優(yōu)良的預(yù)應(yīng)力筋材料和錨具體系是改善豎向預(yù)應(yīng)力損失的有效途徑。國(guó)際工程界從20世紀(jì)80年代后期就開(kāi)始研究將碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）作為預(yù)應(yīng)力鋼筋的替代材料。CFRP筋是由CFRP纖維絲通過(guò)樹(shù)脂膠合而成，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量、抗腐蝕以及抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)[26]。陳露曄等人[27]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，指出CFRP筋用于大跨徑PC箱梁橋豎向預(yù)應(yīng)力筋能顯著降低預(yù)應(yīng)力損失。

CFRP筋是一種各向異性材料，其橫向強(qiáng)度與縱向強(qiáng)度之比可達(dá)1∶20。將傳統(tǒng)夾片式錨具用于CFRP筋的錨固會(huì)因CFRP筋的橫向強(qiáng)度較低而過(guò)早失效。Nanni等人通過(guò)試驗(yàn)研究指出：配置CFRP力筋的混凝土結(jié)構(gòu)，錨具系統(tǒng)的錨固性能是決定其極限承載能力大小的主要影響因素[28]。方志等人則通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析CFRP筋在超高性能混凝土、環(huán)氧鐵砂、環(huán)氧石英砂和普通混凝土四種粘結(jié)介質(zhì)中的不同錨固性能，指出超高性能混凝土可使具有表面壓紋的CFRP筋具備最為有效的錨固性能[29]，為CFRP筋用于大跨徑PC箱梁橋腹板豎向預(yù)應(yīng)力筋的施工提供了科學(xué)的理論依據(jù)。

同時(shí)，相比于傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固體系，低回縮預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨具體系通過(guò)對(duì)鋼絞線進(jìn)行兩次張拉（第一次張拉使錨杯內(nèi)夾片夾緊鋼絞線，第二次張拉錨杯直至設(shè)計(jì)張拉力），加強(qiáng)了鋼絞線與錨具之間的錨固性能，能有效降低預(yù)應(yīng)力筋回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl2，從而提高短索的預(yù)應(yīng)力效率[30]。

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作者簡(jiǎn)介：鄭 博（1995—），碩士研究生，主要從事公路橋梁防災(zāi)減災(zāi)研究工作;

梁軍林（1965—），博士研究生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)安全性能研究工作;

李 叢（1982—），從事高速公路建設(shè)管理工作;

傅 濤（1993—），博士研究生，主要從事混凝土損傷性能研究工作。