某大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋裂縫成因與養(yǎng)護(hù)對策分析

孫雅旺

摘要 公路橋梁作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用。但隨著服役年限不斷延長，公路橋梁逐漸暴露出一系列質(zhì)量病害，其中以裂縫最為普遍，嚴(yán)重影響橋梁使用安全，縮短運(yùn)營年限。為有效提高橋梁裂縫維修加固效果，保證橋梁使用安全，文章依托某橋梁工程養(yǎng)護(hù)實踐，通過病害調(diào)查，確定了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁主要病害情況，系統(tǒng)分析了混凝土箱梁裂縫形成原因，并提出了針對性養(yǎng)護(hù)對策，旨在為同行提供參考、借鑒。

關(guān)鍵詞 公路橋梁工程；箱梁裂縫；成因分析；養(yǎng)護(hù)對策

中圖分類號 TU755.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0141-04

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋作為公路橋梁工程建設(shè)中常用的結(jié)構(gòu)形式，具有承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、剛度大等優(yōu)點，已成為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的橋型。但由于交通荷載、外部環(huán)境及施工缺陷等各方面因素影響，部分運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了各種形式的裂縫問題，造成橋梁承載能力顯著降低。針對橋梁裂縫科學(xué)分析形成原因，并采用針對性措施進(jìn)行修復(fù)處理，是保證橋梁安全穩(wěn)定運(yùn)營的根本保障。為此，該文依托某公路橋梁案例，對橋梁裂縫成因及養(yǎng)護(hù)對策實施綜合分析[1]。

1 工程概況

某公路橋梁項目，采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，全長2 590 m，主橋采用雙索塔斜拉橋，設(shè)計跨徑430 m，橋跨組合為（80+90+190+430+190+90+80）m，其中80 m、90 m跨為單箱單室箱形結(jié)構(gòu)，底部及頂部寬度分別為10.5 m和20 m，端部與跨中高度依次為6 m和2 m，具體如圖1所示。為提高箱梁整體穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，在箱梁高度較小部位設(shè)置中腹板（無支座），使其成為雙室結(jié)構(gòu)，并沿橋梁縱向設(shè)置斷縫，消除中腹板位置剪力作用。此外，將90 m跨箱形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槔甙褰孛?，并使箱梁頂部、底部寬度拓寬至與肋板截面寬度相同，具體如圖2所示。

2 箱梁主要病害

2009年對橋梁結(jié)構(gòu)實施全面質(zhì)量檢測，結(jié)果顯示箱梁底板、腹板及頂板位置均存在不同程度的裂縫，其中頂板裂縫相對較少（4條），腹板、底板位置裂縫較多。具體情況如下：

2.1 箱梁腹板斜裂縫

箱梁腹板裂縫以斜度45°斜裂縫為主，集中出現(xiàn)在梁跨四分之一截面重心上部區(qū)域，但未發(fā)展到翼緣板位置。

箱梁腹板內(nèi)外兩側(cè)均存在裂縫，內(nèi)側(cè)裂縫相對較大，縫寬處于0.3 mm范圍內(nèi)，其中0～0.2 mm、0.2～0.3 mm裂縫占比分別為23.91%和52.17%；而外側(cè)縫寬為0～0.2 mm、0.2～0.3 mm裂縫占比依次為86.49%和10.81%。

2.2 墩頂橫隔板裂縫

墩頂橫隔板位置所受到的支反力較大，該部位所形成的裂縫主要以人孔為中心向四周發(fā)散，最大縫寬為3.2 mm。

2.3 箱梁底板裂縫與開裂

箱梁底板裂縫呈現(xiàn)底面多、頂面少的分布特征，并且存在1條底板、腹板貫通裂縫，縫寬為15 mm。此外，在截面過渡段底板底面存在混凝土空洞現(xiàn)象。

3 裂縫成因分析

為全面探究該橋梁結(jié)構(gòu)裂縫形成的具體原因，根據(jù)橋梁裂縫實際情況，對橋梁受力特征實施綜合分析，并以此為基礎(chǔ)對箱梁斷面實施力學(xué)分析[2]。

借助數(shù)值模型對橋梁整體受力狀況實施計算分析，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)實際情況進(jìn)行單元劃分，共包括550單元，參照《混凝土結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)程》相關(guān)規(guī)定科學(xué)設(shè)定各項技術(shù)指標(biāo)，并采用A類結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)實施檢驗。荷載組合形式為：恒載+車載+人群荷載+整體溫差+截面溫差[3]。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，箱梁整體性能良好，抗壓強(qiáng)度等各項指標(biāo)完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但其斜面抗裂驗算不符合規(guī)范要求，短期效應(yīng)組合下，上緣正應(yīng)力及主拉應(yīng)力均顯著高于標(biāo)準(zhǔn)水平，實際檢測結(jié)果如表1所示。

3.1 腹板斜裂縫產(chǎn)生原因

箱梁腹板開裂原因為：①主拉應(yīng)力較大；②縱向預(yù)應(yīng)力筋較短，導(dǎo)致伸長量不足；③預(yù)應(yīng)力張拉階段各方面因素影響導(dǎo)致?lián)p失較大。通過結(jié)構(gòu)受力分析，箱梁腹板裂縫的根本原因在于主拉應(yīng)力較大，其裂縫形式以結(jié)構(gòu)性裂縫為主。箱梁主要受力形式如圖3所示。

3.2 橫隔板裂縫成因分析

橫隔板作為箱梁結(jié)構(gòu)重要組成部分，可顯著提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但其受力形式相對復(fù)雜，尤其當(dāng)其表面存在施工洞口的情況下，處治不當(dāng)極易引發(fā)結(jié)構(gòu)裂縫問題。為有效探究墩頂橫隔板裂縫成因，利用ANSYS10.0系統(tǒng)構(gòu)建有限元分析模型，對墩頂受力情況實施模擬分析，其有限元模型如圖4所示。

經(jīng)模擬計算，橫隔板橫、豎向應(yīng)力分布特征，如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知：應(yīng)力超過1.5 MPa的區(qū)域分布于人孔周邊（應(yīng)力低于1.5 MPa的區(qū)域為灰色）。橫隔板應(yīng)力分布形式和裂縫高度吻合，沿人口位置向周邊延伸，詳細(xì)情況如圖7所示。

3.3 底板裂縫與開裂原因分析

箱梁底板裂縫主要是由外部荷載作用所致，其中大部分為施工荷載引發(fā)的裂縫。該橋梁結(jié)構(gòu)局部位置由單箱單室結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗潆p室結(jié)構(gòu)，使縱向預(yù)應(yīng)力筋布設(shè)截面顯著增大，有效減小了截面主拉應(yīng)力，但也在一定程度上增大了結(jié)構(gòu)自重與施工難度；此外，在箱梁端部結(jié)構(gòu)截面出現(xiàn)較大變化，進(jìn)一步增大了底板受力復(fù)雜性，處治不當(dāng)極易造成底板開裂[4]。通過有限元分析軟件對底板裂縫實施計算分析，底板位置存在兩個部位主拉應(yīng)力較大，介于3.0～3.9 MPa范圍內(nèi)，受此應(yīng)力作用箱梁底板會產(chǎn)生開裂。箱梁底板開裂除與外部荷載作用有關(guān)，還與施工因素存在一定關(guān)系，具體如下：

（1）底板預(yù)應(yīng)力施工時，由于張拉設(shè)備、工藝等各方面因素影響，導(dǎo)致張拉力較低或損失較大，造成有效應(yīng)力達(dá)不到規(guī)范要求，加之預(yù)應(yīng)力孔道位置偏差，導(dǎo)致張拉施工時產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）底板鋼筋密度過大，造成混凝土振搗困難，密實度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，并且混凝土產(chǎn)生離析現(xiàn)象。

（3）掛籃模板施工不規(guī)范，導(dǎo)致混凝土澆筑時出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，使水泥含量減小，混凝土密實度降低，經(jīng)荷載持續(xù)作用，出現(xiàn)骨料松散、脫落現(xiàn)象。

（4）混凝土養(yǎng)護(hù)不到位，結(jié)構(gòu)承載能力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)行車荷載較大時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象。

4 病害處理

4.1 一般性非結(jié)構(gòu)受力裂縫處理

針對一般性非結(jié)構(gòu)性裂縫，可采取表面封閉與壓力灌漿方式實施處理：①當(dāng)縫寬小于0.15 mm時，利用環(huán)氧膠泥進(jìn)行修復(fù)處理；②當(dāng)縫寬超過0.15 mm時，通過灌注環(huán)氧樹脂方式進(jìn)行修復(fù)處理。

4.2 箱梁腹板斜裂縫處理

箱梁腹板斜裂縫主要由外部荷載作用引起，為典型的受力裂縫，會在一定程度上降低結(jié)構(gòu)剛度，并對橋梁使用壽命造成不利影響，因此須采取必要措施進(jìn)行加固處理[5]。先修復(fù)結(jié)構(gòu)裂縫，再在開裂部位設(shè)置鋼板，并利用錨栓實施加固。因腹板裂縫具有一定的傾斜角度，所以，實際施工時，鋼板應(yīng)沿裂縫走向設(shè)置，最大限度保證處治效果。

4.3 箱梁頂板裂紋處理

箱梁頂板裂縫成因較多，具體包括恒載作用、交通荷載、溫度變化等，若要從根本上杜絕箱梁頂板裂縫問題，應(yīng)從結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)造形式兩方面加以控制。不僅需根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求計算交通荷載作用下的橫向內(nèi)力，還應(yīng)充分考慮溫度變化的影響。針對已出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)裂縫先實施封閉處理，然后采取粘貼碳纖維材料進(jìn)行維修加固。

4.4 箱梁底板開裂處理

針對箱梁底板外側(cè)裂縫，應(yīng)先采用水泥砂漿實施修復(fù)處理，確?；炷了缮?、脫落位置形成整體結(jié)構(gòu)，然后將空洞部位混凝土完全鑿除，并采用相同等級的混凝土填補(bǔ)平整，最后在裂縫表面粘貼鋼板進(jìn)行加固處理。針對由于預(yù)應(yīng)力不足導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)裂縫，通過增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力筋實施補(bǔ)張拉處理，待張拉完成后再實施灌漿加固；針對其他形式的裂縫，應(yīng)先對裂縫實施修復(fù)處理，并在裂縫表面粘貼鋼板，而針對裂縫較多的部位采取布設(shè)對拉鋼板的方式實施加固處理。

4.5 鋼板粘貼基本要求

鋼板粘貼基本要求如下：

（1）為有效增強(qiáng)裂縫處治效果，保證結(jié)構(gòu)整體安全性、穩(wěn)定性，必須保持箱梁腹板外側(cè)加固鋼板走向與裂縫主拉應(yīng)力方向相同；針對其他部位的裂縫，應(yīng)根據(jù)箱梁結(jié)構(gòu)形式合理確定鋼板加固方向。

（2）為避免因鋼板加固造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，鄰近鋼板端部應(yīng)設(shè)置成鋸齒形，進(jìn)行交錯連接，以有效增強(qiáng)加固效果。

（3）在確保加固鋼板牢固可靠的前提下，錨栓位置應(yīng)交錯布置，以有效降低對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞程度，保證結(jié)構(gòu)完整性。

（4）錨栓選用化學(xué)錨栓，禁止使用膨脹錨栓。

（5）粘鋼加固采用的錨固膠，在?40～+80 ℃環(huán)境中，持續(xù)剪切應(yīng)力作用下位移不超過2 mm，相關(guān)性能指標(biāo)應(yīng)滿足現(xiàn)行《公路橋梁工程加固技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定。

4.6 防腐處理

橋梁維修加固完成后，為有效提升結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能，保證橋梁耐久性、美觀性，需對維修部位實施防腐處理，以便后續(xù)檢查裂縫發(fā)展情況。

（1）加固鋼板防腐處理流程：拋丸除銹+環(huán)氧涂層封閉+雙層環(huán)氧樹脂面漆，最小漆膜厚300 μm。

（2）針對未采取粘鋼加固部位，按照上述流程直接涂刷于結(jié)構(gòu)混凝土表面即可。

5 結(jié)論

綜上所述，采用該文方法對橋梁結(jié)構(gòu)裂縫病害實施加固處理，橋梁運(yùn)營5年后，對處治部位實施檢測分析，總結(jié)出如下結(jié)論：

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁施工時，應(yīng)強(qiáng)化對腹板施工質(zhì)量管控，嚴(yán)格控制腹板寬度、主拉應(yīng)力等各項指標(biāo)，確保處于規(guī)范及設(shè)計允許范圍內(nèi)，最大限度保證箱梁質(zhì)量。針對主拉應(yīng)力較大導(dǎo)致的箱梁腹板開裂，可采取粘鋼加固方式進(jìn)行處治。

（2）針對箱梁結(jié)構(gòu)開裂，采取修復(fù)裂縫+粘鋼處治方式效果顯著。而針對頂板開裂通過修復(fù)裂縫+碳纖維方式實施加固；針對底板裂縫采用封閉+對拉鋼板進(jìn)行加固。

（3）箱梁腹板外側(cè)加固鋼板走向與裂縫主拉應(yīng)力方向相同；其他位置的裂縫，應(yīng)根據(jù)箱梁結(jié)構(gòu)形式合理確定鋼板加固方向。

（4）為避免因鋼板加固造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，鄰近鋼板端部應(yīng)設(shè)置成鋸齒形，進(jìn)行交錯連接，以有效增強(qiáng)加固效果。

（5）橋梁維修加固完成后，應(yīng)對加固部位實施防腐處理，以有效提升橋梁耐久性、美觀性，且便于檢查后續(xù)裂縫發(fā)展情況。

參考文獻(xiàn)

[1]胡太堂. 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫成因分析及預(yù)防策略研究[J]. 磚瓦， 2020（12）： 189+191.

[2]李育林， 梁清麗. 支架現(xiàn)澆混凝土箱梁施工裂縫成因分析和控制措施[J]. 西部交通科技， 2020（5）： 112-114.

[3]郭曙光. 某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫成因分析[J]. 工程技術(shù)研究， 2020（9）： 176-177.

[4]鄧鑫宇. 大跨度現(xiàn)澆混凝土箱梁裂縫控制技術(shù)研究[J]. 交通世界， 2023（22）： 168-170.

[5]張開銀， 張楚. 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫控制研究[J]. 工程與建設(shè)， 2023（3）： 921-924.