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PC箱梁橋裂縫成因及防治對策論文
摘要：PC箱梁橋在施工或使用中經(jīng)常發(fā)生混凝土開裂，現(xiàn)結(jié)合實(shí)際分析了裂縫分類、特征以及成因，并提出了相應(yīng)的防治措施。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土；箱梁橋裂縫成因；對策
1概述
PC箱梁橋主要是指主梁截面為箱形的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋。近20年來，我國修建了大量的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋，其中多數(shù)為PC箱梁橋。1997年5月建成的虎門大橋輔航道橋，主跨達(dá)270m，曾為世界最大跨度PC箱梁橋。它的建成標(biāo)志著我國預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)和施工技術(shù)水平均已跨入世界先進(jìn)行列。但隨著橋梁的建成運(yùn)營，許多PC箱梁橋出現(xiàn)裂縫，有的甚至不得不進(jìn)行加固。在理論上，大多數(shù)作為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的PC箱梁橋，在短期效應(yīng)組合作用下，構(gòu)件截面的受拉邊緣不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，更不允許混凝土開裂；即使對于采用部分預(yù)應(yīng)力混凝土的構(gòu)件，允許在短期效應(yīng)組合作用下控制截面混凝土受拉邊緣出現(xiàn)拉應(yīng)力或開裂，但拉應(yīng)力或裂縫均應(yīng)限制在較低的水平上，且在永久效應(yīng)組合作用下不出現(xiàn)拉應(yīng)力、裂縫閉合。然而，實(shí)際情況是，許多PC箱梁橋確實(shí)出現(xiàn)了大量裂縫，有些還很嚴(yán)重。因此，PC箱梁橋混凝土開裂已成為橋梁嚴(yán)重病害之一，必須認(rèn)真分析和積極防治。
2裂縫成因
結(jié)構(gòu)物在實(shí)際使用過程中承受的作用按其性質(zhì)分為兩類：一類是“荷載”作用，即施加于結(jié)構(gòu)上的外力，如車輛、人群、結(jié)構(gòu)自重等，它們直接作用于結(jié)構(gòu)上；另一類是“變形”作用，即以強(qiáng)制結(jié)構(gòu)變形的形式施加于結(jié)構(gòu)上的變形或位移，如地震、基礎(chǔ)變位、混凝土收縮和徐變、溫度變化等，它們是間接作用于結(jié)構(gòu)的。因此，裂縫成因，可分為“荷載裂縫”和“變形裂縫”兩大類。荷載裂縫由荷載作用引起，也稱為受力裂縫；變形裂縫由變形作用引起，是因?yàn)樽冃问艿浇Y(jié)構(gòu)局部或整體的約束作用產(chǎn)生約束拉應(yīng)力，當(dāng)約束拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生的裂縫。
2．1荷載裂縫
2．1．1彎曲裂縫。彎曲裂縫一般是垂直裂縫，是混凝土構(gòu)件受彎矩作用產(chǎn)生的裂縫，一般出現(xiàn)在彎矩最大截面的受拉區(qū)。正彎矩裂縫一般位于箱梁的跨中梁段，由底板橫向裂縫自下而上發(fā)展，下寬上窄；負(fù)彎矩裂縫位于箱梁的墩頂支點(diǎn)梁段，由頂板橫向裂縫自上而下發(fā)展，上寬下窄。
彎曲裂縫的主要成因有：縱向預(yù)應(yīng)力筋配置不夠?qū)е掠行ьA(yù)應(yīng)力不足；預(yù)應(yīng)力張拉噸位不足或預(yù)應(yīng)力損失過大；混凝土澆筑超重，振搗不密實(shí)及跑模；運(yùn)營荷載超過設(shè)計(jì)荷載水平等。
2．1．2剪切裂縫。剪切裂縫又稱斜裂縫，分為腹剪裂縫和彎剪裂縫。腹剪裂縫是PC箱梁橋中出現(xiàn)最多的一種裂縫。一般發(fā)生在剪應(yīng)力最大的部位，如箱梁支點(diǎn)附近的腹板上，由主拉應(yīng)力引起，與梁軸線呈25°～45°走向，并隨著荷載的往復(fù)作用，不斷向受壓區(qū)發(fā)展。由于箱梁的上下緣一般布置有較多的縱向預(yù)應(yīng)力筋，有抑制斜裂縫的作用，因此腹剪裂縫的寬度呈兩頭小中間大，在發(fā)展到箱梁的上下緣前就停滯了。彎剪裂縫一般發(fā)生在彎矩和剪力均較大的主跨1/4跨附近和邊跨1/2跨附近，是由于斜截面抗彎能力較弱而產(chǎn)生的主拉應(yīng)力引起的，與梁軸線呈30°～60°走向。此類裂縫與彎曲裂縫相似，它由箱梁的底緣自下而上發(fā)展，下寬上窄。
剪切裂縫的主要成因：構(gòu)造鋼筋配置不夠，斜向預(yù)應(yīng)力筋彎起過早或未設(shè)彎起筋，豎向預(yù)應(yīng)力筋配置不夠等引起混凝土主拉應(yīng)力過大；施工模板定位偏差、澆筑跑模等導(dǎo)致腹板厚度偏��；豎向預(yù)應(yīng)力張拉噸位不足或者損失過大導(dǎo)致豎向有效預(yù)應(yīng)力不足；縱向有效預(yù)應(yīng)力不足；混凝土強(qiáng)度不夠等。
2.1.3縱向裂縫。在荷載作用下，PC箱梁的頂、底板有可能因橫向拉應(yīng)力過大產(chǎn)生沿順橋方向的縱向裂縫。主要成因：超載特別是超重車輛荷載的作用，引起箱梁頂板局部橫向受彎使其下緣沿縱向開裂；縱向預(yù)應(yīng)力筋配置過密，預(yù)應(yīng)力孔道壓漿不飽滿對頂、底板截面的削弱；施工期間，孔道未壓漿前，縱向預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備過大，在頂、底板橫向產(chǎn)生過大的拉應(yīng)變；橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋配置不夠，橫向預(yù)應(yīng)力張拉噸位不足或者損失過大等導(dǎo)致橫向有效預(yù)應(yīng)力不足。
2.1.4扭曲裂縫�；炷翗�(gòu)件受扭轉(zhuǎn)和彎曲共同作用而產(chǎn)生的裂縫稱扭曲裂縫。一般與梁軸線呈45°傾斜，并有多條，由主拉應(yīng)力引起。扭曲裂縫出現(xiàn)后，混凝土保護(hù)層剝落。彎橋和采用獨(dú)柱橋墩的高架橋、立交橋的PC箱梁，易因扭矩過大而產(chǎn)生扭曲裂縫。 2.1.5局部應(yīng)力裂縫。由于局部應(yīng)力過大而引起的裂縫稱局部應(yīng)力裂縫。主要出現(xiàn)在支座、錨頭等承壓力大的部位或遭受突然撞擊的部位。
2．2變形裂縫
2．2．1收縮裂縫。在混凝土形成強(qiáng)度過程中，水和水泥顆粒結(jié)合，使混凝土體積減小稱為凝縮；在混凝土結(jié)硬以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為干縮。凝縮與干縮合稱收縮。表面的水蒸發(fā)干燥逐步由表面擴(kuò)展到內(nèi)部，在混凝土內(nèi)形成含水梯度。表面收縮大而內(nèi)部收縮小，出現(xiàn)內(nèi)外收縮差，混凝土內(nèi)部受壓，表面受拉，當(dāng)表面混凝土的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫。主要成因：環(huán)境干燥、濕度小、溫度高，使混凝土水分蒸發(fā)快，引起混凝土收縮快；混凝土養(yǎng)生不及時(shí)，溫度、濕度不夠，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不夠，致使混凝土收縮大；混凝土水灰比偏大等。
2．2．2溫度裂縫。當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土將因熱脹冷縮發(fā)生變形，若變形受到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)其拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土開裂，即出現(xiàn)溫度裂縫。主要成因：年溫差使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向變形，當(dāng)變形受到限制時(shí)會(huì)引起溫度裂縫；橋面板、主梁或橋墩側(cè)面受太陽曝曬后，溫度明顯高于其它部位，溫度梯度呈非線性分布；突然大雨、冷空氣侵襲、日落等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面溫度陡然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度；大體積混凝土（最小邊尺寸大于2m）在硬化過程中，產(chǎn)生的水化熱不易散發(fā)，致使內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差大；冬季施工及蒸汽養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)，混凝土驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均等。
2．2．3基礎(chǔ)變形引起的裂縫。對于PC箱梁橋，由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土開裂。引起基礎(chǔ)不均勻沉降或位移的主要因素：地質(zhì)條件復(fù)雜；地基地質(zhì)、結(jié)構(gòu)荷載、基礎(chǔ)類型差異過大；基礎(chǔ)分期建造；地基凍脹融沉；橋梁建成以后，原有地基條件發(fā)生變化等。
3對策
對于出現(xiàn)裂縫的PC箱梁橋，應(yīng)分析開裂的具體原因，采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行補(bǔ)救。對于變形作用引起的非受力裂縫，一般采取封閉裂縫的修補(bǔ)辦法，以減輕其對鋼筋銹蝕的影響；對于嚴(yán)重的受力裂縫，則應(yīng)通過結(jié)構(gòu)加固措施，提高結(jié)構(gòu)抗力，阻止裂縫發(fā)展。
3．1裂縫修補(bǔ)
3.1.1對寬度小于0．1mm的裂縫或表層裂縫可進(jìn)行表面封閉處理，一般涂刷水玻璃或環(huán)氧樹脂；
3.1.2對寬度大于或等于0．1mm的裂縫應(yīng)采取壓力灌漿進(jìn)行修補(bǔ)，以達(dá)到封閉裂縫的目的；
3.1.3對于大面積表面裂縫，可用粘貼碳纖維布的方法，對其進(jìn)行整體封閉。
3．2結(jié)構(gòu)加固
受力裂縫的出現(xiàn)表示結(jié)構(gòu)承載力可能不足或存在嚴(yán)重缺陷。除了對裂縫進(jìn)行修補(bǔ)外，還應(yīng)該對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。
3.2.1在荷載作用受拉區(qū)混凝土表面，粘貼碳纖維布或鋼板，以解決結(jié)構(gòu)抗彎能力不足或主拉應(yīng)力過大的問題；
3.2.2加厚板件和補(bǔ)加鋼筋，以解決結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力或主拉應(yīng)力過大的問題；
3.2.3增加預(yù)應(yīng)力筋，以解決結(jié)構(gòu)抗彎能力不足或主拉應(yīng)力過大的問題。
結(jié)束語
目前，PC箱梁橋混凝土開裂是普遍存在的現(xiàn)象，但通過合理布置構(gòu)造鋼筋或預(yù)應(yīng)力筋，通過施工對質(zhì)量的嚴(yán)格控制，即可顯著減少裂縫的數(shù)量，減小裂縫的長度和寬度，甚至避免開裂。一旦出現(xiàn)裂縫也并不可怕，關(guān)鍵是要正確分析裂縫成因及對結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和承載能力的影響程度，及時(shí)提出合理的處理措施。
參考文獻(xiàn)
[1]胡成.某PC連續(xù)箱梁裂縫成因及防治措施[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，29（7）.
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