預應力混凝土小箱梁連續端腹板局部裂縫病害成因分析及處治

郭延飛，彭俊強，王清明，李棟衍，王子方

(山東高速基礎設施建設有限公司 濟南市 250101)

0 引言

隨著經濟社會的不斷發展，高速公路迎來了快速規劃建設高峰，預制混凝土箱梁以其造價低、便于運輸安裝、工廠化生產程度高等優勢，在高速公路建設中被廣泛采用[1]。但隨著預應力預制小箱梁在工程建設中的不斷應用，其問題也不斷的暴露出來。施工期間預制箱梁混凝土開裂現象一直是混凝土工程領域的頑疾，其開裂原因眾多，涉及到設計計算、施工工藝、養護管理、材料性質等各方面[2]。以某高速幾十片簡支變連續預制小箱梁梁端腹板裂縫為研究對象，觀察統計箱梁裂縫出現的時間、出現的階段，并對導致箱梁裂縫通病的原因進行一一篩除，分析確定導致箱梁裂縫的原因后采取相應的施工措施做到對癥下藥，為預制箱梁裂縫防治提供相應依據，避免后續混凝土構件出現同類病害。

1 工程概況及裂縫調查情況

1.1 工程概況

某高速公路路線全長93.305km，全線預制箱梁共計 2784 片，其中簡支變連續箱梁444片。小箱梁設計采用C50混凝土，梁高為1.8m，結構體系為先簡支后連續的結構，按A類預應力混凝土構件設計。支點截面腹板厚度為32cm，跨中截面腹板厚度為18cm，中梁采用15.2-4規格鋼束，邊梁采用15.2-4與15.2-5規格鋼束。界面形式如圖1、圖2所示。全線小箱梁均采用場內預制，混凝土施工配合比應用智能數據上傳系統，各類原材料添加質量進行嚴格控制，施工、監理、建設單位質量管理人員可以同步接受該盤混凝土的所有信息，并且信息會在電腦數據端多年存儲。預制箱梁鋼筋全部采用數控彎箍機生產，統一采用胎架、卡槽進行鋼筋網綁扎。張拉、壓漿過程全部應用智能數據上傳，張拉力的大小、壓漿的指標均可在電腦端實時查看。箱梁壓漿完成后架設存梁去存放。

圖1 箱梁支點截面預應力鋼束布置圖

圖2 跨中截面預應力鋼束布置圖

1.2 裂縫調查情況

在發現預制場簡支變連續小箱梁端頭出現裂縫后，建設單位迅速組織設計院到各標段預制箱梁場進行了現場調查。安排檢測單位對裂縫長度、深度、寬度等進行了專項檢測，并要求施工、監理單位對所有出現裂縫的箱梁進行各工序時間節點、質量控制過程進行調查，施工單位邀請省內混凝土相關專家到箱梁場調研相關問題。經調查該高速公路各標段預應力混凝土小箱梁連續端腹板均出現斜向裂縫，施工一標預制簡支變連續箱梁發生的范圍較多，正交和斜交箱梁均存在，初步檢查約60%以上存在裂縫情況，施工二、三、四、五標斜交箱梁主要在鈍角側有所發生，初步檢查約40%以上存在裂縫，具體情況如下：

(1)梁端腹板斜向裂縫均出現在簡支變連續端，伸縮縫端腹板未發現裂縫。

(2)腹板裂縫位置縱向上基本在支點至跨中方向1.5m范圍內，豎向范圍主要在翼緣板根部及以下0.3m范圍內，裂縫與水平面夾角一般在0°～20°之間，走向均為向跨中抬頭。

(3)根據專業設備進一步檢查，裂縫深度介于24～95mm之間，裂縫寬度介于0.1～0.2mm之間，預制箱梁設計腹板厚度32cm，可判斷裂縫深度未貫通腹板，但已到達保護層厚度，部分梁板已到達鋼絞線波紋管處。部分箱梁裂縫情況排查如表1。

表1 部分預制箱梁裂縫統計表

2 裂縫初步成因分析

混凝土開裂現象其原因較多，如要明確哪種原因導致此預制小箱梁通病的產生需對可能引起的原因進行篩除。針對本工程預制簡支變連續小箱梁端頭出現斜向裂縫的實際情況，暫時無法判定裂縫形式為受力裂縫或溫度收縮裂縫，初步分析原因如下：

(1)混凝土局部養護、張拉時彈性模量偏低導致徐變變形大可能是原因之一。加強端部噴淋養護，保證無死角，張拉時機適當再延后(提高加載時的彈模和強度)，減少徐變變形影響。

(2)箱梁轉場吊裝過程中，捆綁鋼絲繩吊點對翼緣板根部會產生局部彎矩，其彎矩連帶影響腹板進而產生裂縫(伸縮縫段因為有剛性的橫梁，減弱了對腹板的影響)。

(3)存梁時，適當加大橡膠墊厚度，或在橡膠墊上放置摩阻力小的四氟板或不銹鋼片，使存梁期間的變形可相對自由的釋放，減小梁端臨時支座的約束。

(4)梁場存梁存在雙層存梁的現象，上層梁的支點位置應和下層梁對應，主要受力位置盡量在腹板位置。

(5)箱梁在存梁過程中，隨著時間的增長，徐變效應導致梁長縮短且跨中持續上拱，上述變形因為受存梁時梁端臨時支點較大的約束(一般是單層或雙層橡膠片)而受阻，進而在梁端翼緣根部薄弱部位產生超限應力而開裂。

(6)針對目前存在開裂的局部位置，在箍筋豎向肢位置再緊鄰綁扎一根12mm 鋼筋，加大抗裂能力。

(7)可能為張拉裂縫，端頭鋼筋安裝不規范，導致箱梁端頭預應力張拉后受力過大，引起梁端斜向裂縫的產生[3]。

3 初步選定采取的施工措施

通過現有箱梁裂縫的調查及初步原因分析，對現有箱梁的各工序進行摸底調查，對每一道工序的施工情況進行觀察。該過程中嚴格控制原材料的質量，保證各項指標滿足規范要求；所有混凝土拌合站均連接配合比控制系統，可以實時將拌合混凝土信息進行數據上傳，方便控制混凝土施工配合比的準確性；箱梁鋼筋網的綁扎均采用胎架、卡槽施工工藝，可以有效保證鋼筋的間距和澆筑完成后箱梁保護層尺寸；預制箱梁張拉、壓漿工序也安裝智能數據上傳系統，保證了張拉、壓漿數據的準確和可控[4]。上述智能數據上傳系統既保證了工序質量控制的準確，也保證了過程控制的溯源性。在保證各工序質量控制嚴謹的情況下，制定以下措施：

(1)各標段選取1片箱梁按照現有箱梁的施工控制措施進行施工，分析箱梁裂縫出現的時間節點和施工工序出現的裂縫通病問題。

(2)箱梁的養生采用智能噴淋系統，養護過程中及時觀察自動噴淋未養生到位的部位，加強箱梁端部噴淋養護，減少徐變變形影響。

(3)在裂縫部位處局部增加豎向鋼筋，在箍筋豎向肢位置再緊鄰綁扎12mm 鋼筋，如圖3所示。

圖3 腹板端頭1m 范圍內增加豎向鋼筋

(4)在裂縫部位處局部增加與裂縫方向垂直的鋼筋，抑制斜向裂縫的產生，如圖4所示。

圖4 腹板端頭1m 范圍內增加斜向鋼筋

(5)在翼緣板根部增加吊裝孔，以避免吊裝時翼緣板邊部受力。

4 觀察采取措施箱梁施工情況

采取上述措施后，對預制箱梁的各工序情況進行了跟蹤檢查，調查結果顯示：未采取任何措施的3片簡支變連續預制箱梁，在保證原材料和混凝土配合比不變的情況下，澆筑完成后6～10d張拉預應力，張拉完成1d后進行壓降工序，預制胎架上拆除模板，預應力張拉、壓漿，吊裝過程中均未出現裂縫，一般是在運至存梁區2～5d后發生此類裂縫。僅在端頭增加豎向鋼筋的2片箱梁，過程工序的質量控制同未采取措施的箱梁一樣，在運至存梁區之前箱梁端頭均未出現此類斜向裂縫，也是在存梁2～3d后出現此類裂縫。端頭增加豎向鋼筋和吊裝孔內移的2片箱梁，過程質量控制同未采取措施的箱梁一樣，前期均未出現斜向裂縫，同樣是在運至存梁區后出現了此類斜向裂縫。端頭增加內移吊裝孔和垂直于裂縫方向的鋼筋的箱梁在運至存梁區后均未出現裂縫；端頭增加上述3類施工措施的箱梁，運至存梁區后亦未出現此類裂縫；繼續觀察存梁區內此2類增加措施的箱梁，再無裂縫產生[5]。

5 箱梁裂縫原因判定

通過對采取上述措施的箱梁進行觀察和比對試驗，可初步總結結果如下：

(1)通過分析未增加措施而出現箱梁端頭裂縫的情況，各工序的質量控制過程均符合規范要求，可初步判定設計預應力端頭布置方式是簡支變連續箱梁施工過程產生端頭裂縫的主因之一。

(2)混凝土張拉、壓漿完成后，觀察現有模板臺座上的箱梁其兩端并未出現斜向裂縫，基本可以排除張拉、壓漿等工序混凝土強度不足、張拉彈性模量、局部養護不到位的原因導致箱梁端部出現裂縫的情況。

(3)箱梁轉場吊裝過程中，采用捆綁式吊裝。在此施工工序過程中未發現箱梁出現裂縫，梁端裂縫一般是在存梁2～5d后出現，可排除吊裝過程因為取消吊裝孔設計的原因導致箱梁梁端產生裂縫。

(4)根據現有K45+568.75(35m)左22-2、K3+327.554左10-7箱梁反饋的數據可判定增加垂直鋼筋對抑制裂縫產生無明顯效果。

(5)通過分析上面采用增加垂直于斜向裂縫鋼筋的箱梁均未出現端頭裂縫的箱梁情況，增加垂直于斜向裂縫鋼筋可有效控制預制箱梁端頭斜向裂縫的產生。

6 結論

通過對某高速公路簡支變連續箱梁端頭斜向裂縫的情況進行統計觀察，分析導致裂縫產生的原因，并針對各原因采取了相應的控制措施，通過對后續采取相應處理措施的預制箱梁進行觀測，增加垂直于裂縫方向的斜向鋼筋可有效防止此類箱梁端頭裂縫的產生。但從本次質量通病的治理過程中也可總結以下幾點內容：

(1)箱梁裂縫產生后對橋梁結構的耐久性有重要的影響，無論采用何種處理方式都無法達到原始箱梁狀態，預應力簡支變連續混凝土箱梁端頭腹板裂縫的問題應以預防為主。

(2)作為設計單位在進行簡支變連續箱梁設計過程中要注意增加結構物過程中的精細化驗算，合理布置梁端構造鋼筋、簡支變連續端負彎矩預應力、跨中正彎矩預應力管道端頭坐標的布置，保證橋梁結構在整個施工過程中的安全。

(3)加強高速公路建設過程中智慧高速質量數據過程控制的應用。本高速公路所有混凝土拌合站均連接配合比控制系統，可以實時將拌和混凝土信息進行數據上傳，預制箱梁張拉、壓漿工序也安裝智能數據上傳系統，一旦出現配合比超標、張拉力、壓漿不飽滿等情況，建設單位質量控制部門人員手機上可以第一時間收到報警信息，保證了混凝土施工配合比、張拉、壓漿數據的準確和可控。

(4)對于已出現裂縫的箱梁要積極尋找根源，并及時修補處理混凝土裂縫，恢復預制箱梁結構的耐久性。并在施工過程中持續觀測裂縫的發展動向，并對相關文件進行留存，為后續管養單位重點關注施工過程中產生的質量通病提供原始資料，真正達到建設、管養的一體化。