桥梁工程中的连续刚构裂缝与加固探讨
2015-08-26
随着高速公路和城市快速路等基础设施建设快速发展，预应力混凝土连续刚构桥得到迅速发展和广泛应用。特别是这类桥梁具有结构刚度大、行车平顺性好、设置伸缩缝少和养护简单等优点，越来越多的得到人们的认可。但是在大量修建这类桥梁后，也暴露出一些问题，最突出的就是混凝土结构的开裂。其开裂的部位大多出现在箱梁的顶板、腹板和底板，裂缝主要表现为纵向裂缝、弯曲裂缝、弯曲剪应力裂缝和主拉应力裂缝，本文就刚构梁的裂纹防治和加固进行分析。
一、裂缝监测及成因分析
在顶板底部距腹板10～15cm处普遍出现纵向裂缝，桥面上部水从裂缝中渗到顶板底部。裂缝开始于与前节段交接缝60cm～100cm处，裂缝长度120cm左右，个别节段裂缝达200cm。
为了查明裂缝出现的原因，技术人员进行专门的监测试验，主要是监测顶板纵向预应力束张拉时顶板开裂部位横向应变值。
1.1成因分析
①主要原因：
在预应力砼发展的初期，预应力的目的是完全消除在使用荷载下砼的拉应力，它被认为是一种直到最大设计荷载仍不开裂、并处于弹性状态的全新的均质材料。此类设计在全部使用荷载下限制砼的拉应力为零，即通常的所谓“全预应力”。因“全预应力”梁会出现由于偏心预应力所产生的过大的上拱度（恒重荷载产生的挠度仅能抵消上拱度的一部分），这种现象还会因砼徐变而加剧发展。在设计过程中，设计人员过分追求“全预应力”，为了满足“全预应力”的抗裂要求，过大的预压应力引起横向拉应变超出极限值而造成梁体出现纵向水平裂缝。
由于桥顶板纵向预应力束平弯半径过小(R=400m 或 500m)，造成横向应变超出了砼的极限拉应变值。
②次要原因:顶板预应力束过于密集，预应力束管道之间的间距为17cm，而管道的直径为11cm，所以管道之间的砼仅为6cm宽，从而削弱了结构的受力结构面积。
1.2监测方案
为了从结构本身杜绝裂缝的出现，项目部采取了在边跨顶板底面横向粘贴混凝土应变片，在中跨顶板底面及顶面横向粘贴混凝土应变片的方案进行应力测试。采用UCAM及YJ-26应变仪进行测试。
张拉测试时间：2011年8月8日下午13:40～17:00，温度39℃左右。
2、检测结果及裂纹防治措施
2.1检测结果分析
在腹板束张拉过程中，顶板箱内应变均较小，桥面受温度影响产生明显的拉应变。
从实测的横向拉应变结果表明：顶板束水平弯曲产生了较大的拉应变，由于中跨在顶板半高部位靠近平弯预应力束处增加了一层横向水平钢筋(见图8)，分担并扩散了横向拉应力，顶板底部的拉应变比边跨的拉应变大为降低，从根本上阻止了裂缝的开展；
而边跨则按设计图纸进行了施工，在顶板束张拉过程中，中跨顶板桥面3、4号点位拉应变较大，顶板箱内拉应变最大为50，边跨顶板箱内2、3、6号点位拉应变较大。该应变值已达到混凝土极限拉应变值，虽然表面尚未出现裂缝但内部已经开裂。
（2）裂纹防治措施
①在距顶面35cm处增设一层φ16@15cm构造钢筋
②在顶板束平弯区段适当加设U形拉接筋，增加结构的拉应力；
③建议设计单位在设计较大吨位的纵向预应力时，充分考虑由于纵向应力而引起的横向应力值是否超过了砼本身的拉应力值；
④建议设计单位在设计预应力时，充分考虑波纹管道对结构本身截面积的削弱程度；
⑤建议设计单位在设计腹板厚度时，充分考虑能够承受集中的锚固力，如若腹板太薄或砼强度太低也会引起预应力束线方向的开裂。为避免砼的开裂，可以用主动钢筋网和竖向预应力筋并借助应力箍来锚固；
⑥建议施工单位在施加预应力时，砼要有足够的龄期,最好在7天之后施加，让砼有足够的弹性模量和抗拉应力。
3.裂缝整治措施
3.1裂缝灌浆修复
①沿缝对混凝土表面进行处理，清除松散灰浆、砂粒、油垢，使缝隙畅通、干燥。
②使用灌缝胶掺入水泥或大白粉作为封闭胶埋设注嘴和封缝，注浆嘴埋设在裂缝端部、交叉处和较宽处，间隔300-500mm。
③缝胶固化使用压缩气体试压，确认灌注通道畅通、密封无泄漏。
④将灌缝胶按规定比例调配好，立即装进压力罐，尽快将其注入到裂缝中。灌浆一般应按由宽到细，由一端按注浆嘴顺序；从第一注浆嘴开始灌注，待下一注浆嘴出浆后关闭本注浆嘴，在下一注浆嘴继续压力灌注，依次进行。对垂直裂缝应按由低到高的顺序进行，缝隙全部注满后应继续稳定压力一定时间，吸浆率小于50ml/h后停止注浆，关闭注浆嘴。
⑤胶液固化后，敲去注浆嘴。
3.2粘贴碳纤加固补强
①粘贴碳纤加固补强施工方法
a.施工前应对粘贴部位混凝土的表层含水率及所处环境强度进行测量，施工前应按设计图纸，在加固部位放线定位。
b.清除被加固构件表面疏松部份，至露出混凝土结构层，若有裂缝应先行修补，然后用修补材料将其表层修复平整，粘贴部位的混凝土若表面坚实，也应除去浮浆层和油污等杂质，并打磨平整，构件转角粘贴处打磨成圆弧状，表面打磨后，应用强力吹风机将表面粉尘彻底清除。
c.底胶应用滚筒刷或物制的毛刷均匀涂在已用清洗剂擦净混凝土表面，调好的底胶应规定的时间内用完，避免造成浪费。
d.经清理、打磨后的混凝土表面，若有凹陷处，应抹成平面。
e.粘合剂的配制，应按粘合剂的配制比例和工艺要求进行，调胶应搅拌均匀，无气泡产生，防止灰尘等杂质混入，且应有专人负责。
②粘贴碳纤维织物的施工要求
a.裁剪60cm宽的碳纤维织物；
b.将配制好的粘结剂均匀涂抹于需要粘贴部位的混凝土面上；
c.将裁剪好的碳纤维织物敷在涂好粘合剂基层上；
d.用特制的滚筒沿碳纤维方向在已粘好的碳纤维织物的面上多次滚压，使粘合剂充分浸透，并使其平整、无气泡。
e.在最后一层碳纤维的表面应均匀涂抹一道粘合剂；
③粘贴碳纤维织物的施工安全要求
a.碳纤维织物为导电材料，施工时应使其远离电气设备及电源。
b.各种粘合剂应在其说明书规定的环境温度中密封储存，并远离火源，且避免日光直射。
c.粘合剂的配制应在室内进行，其操作环境及施工现场应保持良好通风，施工人员应戴防护口罩、手套和穿工作服。
4 结束语
自对箱梁顶部倒角处钢筋进行了加密和补强，到全桥成桥后，在张拉工序完成后拆除模板，观察到混凝土表面平整光洁，没有出现上述类似裂缝情况，证明采取的防裂措施是有效的。
同时加固补强方案实施后进行检测，检测结果证明混凝土内部裂缝已消除，裂缝灌注饱满、密封完整，强度符合设计要求且混凝土的结构性能良好；碳纤维粘贴平整、牢固、无气泡、空鼓等现象。
