服役連續剛構橋腹板開裂分析與控制

厲曉燕

(中鐵大橋局第七工程公司，湖北武漢 430050)

0 引言

連續剛構橋是一種應用較為廣泛的結構，具有很多優點[1]。但是，已有調查發現相當一部分此類橋在運營一段時間之后其箱梁腹板會開裂[2，3]，這給橋梁的繼續服役帶來一定的不利影響，需對其引起重視。

國內的一些研究學者已開始對腹板開裂進行研究。劉山洪等[4]從設計、施工方面對如何控制腹板裂縫進行了探討，給出了在建的連續剛構橋縱向筋的部分預應力測試結果。王勇[5]以體外預應力在一座連續剛構橋加固中的應用為例，分析了裂縫情況和病害原因，提出體外預應力加固方法，對箱梁結構的豎向位移和混凝土應力進行了計算。劉小燕等[6]采用空間有限元建模方法對腹板應力進行分析。崔琨[7]以一座三跨連續箱梁為背景，采用平面框架模型和空間板殼模型研究了裂縫的成因及加固方法。文獻[8]～文獻[10]根據實例中開裂問題提出了一些預防措施。

本文在已有研究的基礎上，從設計、施工、材料及溫度等方面分析了連續剛構橋腹板開裂的原因，并提出了一些防治的建議。

1 裂縫產生原因

混凝土是一種混合材料，由水、水泥、砂石及其他外加材料組成，彈性模量較高，但是抗拉強度較低。由于混凝土施工和本身變形、約束等一系列問題，硬化成型的混凝土中存在著相當多的孔隙和微裂縫，在溫差、荷載等作用下，微裂縫會慢慢地擴展甚至會相互連通，久而久之，就會形成人們肉眼可見的宏觀裂縫。

1.1 材料引起的裂縫

在實際的服役橋梁中，因混凝土收縮所引起的裂縫特別常見。水灰比、坍落度過大或使用過量粉砂等，將致使混凝土產生裂縫，而采用含泥量較大的粉砂配制的混凝土收縮性大。塑性收縮發生在混凝土澆筑后5 h～6 h，此時水泥水化反應較大，逐漸出現泌水和水分蒸發現象，混凝土骨料因自重而下沉，若受到鋼筋的阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。在箱梁腹板與頂底板交接處，因硬化前沉實不均勻，將發生表面的順腹板方向裂縫。泵送混凝土為了能夠滿足流動性好、坍落度大的泵送條件，容易產生局部粗骨料少、砂漿多的現象，此時混凝土脫水干縮就會產生表面裂縫。

1.2 施工造成的裂縫

我國已經建造了數座震驚中外的特大跨橋梁，如虎門大橋、黃石長江大橋等，取得了顯著的成果，但總體說來，施工質量水平不高，尚未達到精細化施工，管理制度欠完善，如常出現預應力波紋管的定位與設計有較大偏差，改變了預應力束的偏心矩，使其難以建立足夠的預應力;另外，預應力孔道灌漿時，常發生孔道中水泥漿未充滿、有空隙的現象。

在混凝土拌和時未對各種成分做精確計量，粗細骨料質量控制不嚴格，含泥量過高等。預應力混凝土剛構橋腹板鋼筋骨架多、間距小，造成內部混凝土難以振實，導致混凝土強度可能沒有達到設計標號。施工過程中還存在拆模早，豎向接縫處混凝土的密實度差，鑿毛的深度和力度不夠等，這會降低主梁的整體剛度。另外，過早施加施工荷載、超載也是導致混凝土開裂的原因。

1.3 分析計算

橋梁結構自重引起的上部結構內力是一定的，預應力的大小可以導致不同的內力分布，能改變上部結構內力分布。以往的橋梁設計中，設計人員一直忽視了上部結構彈性內力分布對橋梁運營時效彈性下撓的影響。目前連續剛構橋的分析計算多采用平面桿系程序。該類分析軟件能夠分析由預應力、收縮徐變及溫度引起的結構縱向彎曲變形時結構的受力，然而，對于復雜的空間結構，剪力滯效是會發生變化的，在整體分析計算時，平面桿系程序很難精確模擬這種變化，使得計算結果與實際受力情況存在一定偏差。

設計理論、假設狀態與箱梁實際受力狀態不一致是普遍存在的問題[11]，由此導致的應力把握不準，同樣會造成箱梁發生開裂。

1.4 溫度裂縫

當混凝土的邊界受到約束時，由溫度應變所引起的裂縫幾乎是不可避免的。溫度應變包括水化熱引起的早期溫度應變和季節降溫引起的長期溫度應變，前者可以用下式來表示[12]:

其中，α為混凝土線膨脹系數;ΔT為溫差。

溫度梯度同樣會引起結構產生裂縫。既有的混凝土橋梁由于自然環境溫度及太陽光的照射，橋面溫度迅速變化，而結構內部仍處于原來的狀況，這就形成較大的溫度梯度。大體積混凝土澆筑后水化放熱也有這類問題。溫度作用下，應力應變會增加由溫度導致的應變項，可用下式來表示[13]:

1.5 預應力損失

加到混凝土構件上的初始預應力，由于種種原因會隨時間的增長而發生預應力損失。在先張構件中，預應力損失的原因有:混凝土的彈性壓縮、收縮、徐變以及預應力鋼筋的松弛;在后張構件中，還有摩阻力和錨具造成的損失。彈性壓縮、摩阻力和錨具損失是瞬時性的，而鋼筋松弛損失、混凝土收縮和徐變則是隨著時間變化的。

橋梁運營時間越長，預應力鋼束的松弛效應越明顯。施工中的縱向預應力鋼筋多用低松弛鋼絞線，結合規范中規定的張拉前、張拉中的操作工藝等減少預應力損失。但在大跨度梁預應力施工中，一般規范規定往往與具體情況難以較好吻合。較大的應力松弛也降低了腹板的有效預加力，這也是箱梁腹板開裂的主要原因[14]。

1.6 運營管理方面

由于運營管理的不到位，致使橋梁上車輛超載、超限的現象非常普遍，交通量過大和超載等原因而使中跨梁體產生下撓，箱梁腹板出現大量斜裂縫。

2 裂縫的防治

2.1 設計方面

無論是斜裂縫還是垂直裂縫，都會使主梁剛度降低，撓度加大，從而進一步引起梁體開裂，二者相互影響。高跨比是影響主梁受力的主要參數，適當的增大梁高，可以加大主梁剛度，使主梁應力狀態有明顯改善[9]，如2008年通車的貴遵高速公路烏江大橋，腹板沒有產生斜裂縫。另外，鑒于連續剛構橋1/4跨截面剪應力較大，可優化梁底線形，適當減小拋物線次數，以增加該處截面高度，這對于避免斜裂縫的出現十分有利。

連續剛構橋在預應力和豎向荷載的共同作用下，可視為一種偏心受壓結構，因而結構的徐變可以分解為軸向徐變和彎曲徐變，如果結構各截面沿梁高方向的應力梯度均為零，則結構中只有軸向應力和軸向徐變，而軸向徐變的不利影響很小;彎曲徐變是由沿截面高度的應力梯度引起的，可以通過增加頂板負彎矩預應力筋和增加中支點區域底板厚度的方法來解決。

文獻[15]結合湖北龍潭河特大橋，通過對比布置下彎鋼束和不布置下彎鋼束兩種情況，發現前者能夠減小截面剪力及主拉應力，可有效預防腹板開裂。從虎門大橋輔航道橋起，連續剛構橋的預應力布束方案發生了很大變化[16]，采用大噸位預應力束，以縱向預應力和豎向預應力的合理配置控制主拉應力，取消彎起索和下彎束，采用平、豎彎相結合的空間曲線，縱向預應力索應盡量靠近腹板布置。

2.2 材料和施工方面

應嚴格控制水灰比，盡量減少混凝土的單位用水量，在必要時可摻加高效減水劑和優質粉煤灰，以減少收縮，提高混凝土的和易性、耐久性。骨料應進行定性檢驗，防止采用堿活性骨料;摻合料要合理，避免為追求某一方面的性能而過量采用，且不應選用帶氯離子的摻合料。

控制施工裂縫的產生還有以下措施:

1)確保鋼筋綁扎和模板質量，安裝支撐系統并確保支撐位置正確。

2)混凝土澆筑時，考慮天氣因素，振搗棒要快插慢拔。

3)對拌制的混凝土原材料嚴格計量，使配合比符合標準要求，拌好的混凝土停滯時間不要超過4 h。

4)嚴格控制施工臨時荷載、構件的堆放。

2.3 溫度方面

為減輕溫度應力的影響，可從溫度的控制方面著手。改善骨料級配，用干硬性混凝土，摻混合料，加入引氣劑等措施，可用低水化熱的普通硅酸鹽水泥摻15%的一級粉煤灰，盡量減少水泥用量。進行合理養護，采取保溫措施，控制混凝土溫降速度，以減小由于溫度梯度而出現的溫度應力。

混凝土拆模時間應考慮氣候、環境等條件，應有利于強度的正常增長，并防止混凝土開裂，故規定拆模時混凝土的溫度差要滿足式(3)[17]:

式中各參數的含義見文獻[17]。

除此之外，運營管理部門還要對超載、超限現象進行嚴格管制，并對橋梁進行定期檢測或健康監測，以保證橋梁的良好使用。

3 開裂的處理

裂縫的存在會造成結構剛度降低，加速鋼筋銹蝕，致使結構內力重分布，進而造成裂縫進一步擴展，影響橋梁的耐久性。所以，一定要結合裂縫的特點、性質及橋梁自身情況，進而采取不同的處理措施，保證結構能繼續安全服役。

對腹板裂縫采用混凝土粘著劑、裂縫灌注劑進行修復。混凝土粘著劑用于裂縫表面的密封，防止水及酸堿氣體進入裂縫內部。裂縫灌注劑用于粘結開裂混凝土面，使開裂混凝土重新成為整體[18]。具體施工工藝如下:打磨→清除雜物→混凝土粘著劑堵縫→硬化后低壓持續注射灌入裂縫灌注劑。對于那些已經嚴重損壞的裂縫，應該對該部位的混凝土進行置換，工程中比較常用的置換材料有普通混凝土、聚合物混凝土、改性聚合物混凝土。

由于裂縫對原混凝土及結構已造成一定損傷，腹板裂縫修補完畢后，應用碳纖維布對腹板進行補強:沿裂縫方向粘貼一條300 mm寬碳纖維布條，并在裂縫兩端均向外延伸500 mm，然后沿垂直于裂縫方向粘貼300 mm×1 000 mm，間距300 mm的碳纖維布條，以抵抗主拉應力。

4 結語

連續剛構橋是一種極有生命力的橋梁結構形式，隨著橋梁施工技術水平的提高，對混凝土收縮、徐變、溫度變化、預應力作用、墩臺不均勻沉降等因素所引起的附加內力的研究日益深入，大跨度預應力混凝土連續剛構橋已成為目前大跨橋梁主要采用的結構體系之一。而裂縫的出現不僅影響結構的整體性和剛度，還會引起鋼筋的銹蝕、加速混凝土的碳化、降低混凝土的耐久性和抗疲勞性。因此，提前采取必要措施對預防混凝土裂縫十分重要。

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