劉 勇,劉建雄,汪云鋒

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)公司,湖南長(zhǎng)沙 410004; 2.湖南交通國(guó)際經(jīng)濟(jì)工程合作公司,湖南長(zhǎng)沙 410011)

預(yù)應(yīng)力在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中的使用,提高了橋梁構(gòu)件的抗裂度和剛度,有效改善了構(gòu)件的使用性能,增加結(jié)構(gòu)的耐久性;節(jié)省混凝土用量,對(duì)大跨徑橋梁,有顯著優(yōu)越性;減少了混凝土梁的豎向剪力和主拉應(yīng)力,有利于減小梁的腹板厚度,使梁自重進(jìn)一步減小。特別近年來(lái),預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展迅速,在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、試驗(yàn)研究、預(yù)應(yīng)力材料及工藝設(shè)備、施工工藝等方面的日新月異,大大促進(jìn)了橋梁結(jié)構(gòu)新體系與施工方法的發(fā)展,目前世界橋梁中有70%以上都采用了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[1]。但國(guó)內(nèi)外對(duì)在役橋梁的檢測(cè)報(bào)告都表明,隨著橋梁建設(shè)數(shù)量與使用年限的增加,缺陷橋梁出現(xiàn)的數(shù)量也越來(lái)越多,預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在施工與運(yùn)營(yíng)期陸續(xù)出現(xiàn)一些具有共性的病害,引起了廣泛的重視和研究。

1 常見(jiàn)病害與案例分析

目前出現(xiàn)病害的橋梁數(shù)量及橋梁高昂的維護(hù)費(fèi)用在直線上升,據(jù)統(tǒng)計(jì),美國(guó)上世紀(jì)80年代末,橋梁維修費(fèi)用估計(jì)為＄1 550億元;上世紀(jì)90年代,70萬(wàn)座混凝土橋梁中60%加固費(fèi)用需＄3 500億元;本世紀(jì)初計(jì)劃:橋梁全面維修費(fèi)用＄12 000億元;英國(guó)運(yùn)輸部曾抽樣調(diào)查過(guò)200座混凝土公路橋梁,表明約有30%的橋梁運(yùn)營(yíng)條件不良,預(yù)計(jì)對(duì)這60座橋梁的10 a維護(hù)、修復(fù)費(fèi)用就達(dá)6 200萬(wàn)英鎊;我國(guó)交通運(yùn)輸部調(diào)查表明,中國(guó)約有50%的公路橋梁年齡在20～40 a以上,這些橋梁大多數(shù)存在結(jié)構(gòu)上不同程度的損壞。近30 a來(lái)新建成橋梁中,為數(shù)不少的橋梁在使用5～10 a即出現(xiàn)嚴(yán)重的病害甚至發(fā)生垮塌事故。因此有必要對(duì)橋梁常見(jiàn)病害做一定的分析,特別是對(duì)現(xiàn)在發(fā)展最快的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁,找出原因,在根源上減少病害的產(chǎn)生。

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的常見(jiàn)病害

1.1.1 梁體下?lián)?/p>

預(yù)應(yīng)力為橋體提供的消壓彎矩能有效保證構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力度。根據(jù)分析,150m的全預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁,預(yù)應(yīng)力對(duì)撓度的效應(yīng)是7 cm。如果預(yù)應(yīng)力施工不當(dāng),梁體內(nèi)不能建立有效的預(yù)應(yīng)力,在混凝土徐變的共同作用下,梁體必將發(fā)生嚴(yán)重的下?lián)?。撓度過(guò)大不但會(huì)使跨中主梁下凹,破壞橋面的鋪裝層,影響橋梁的使用壽命和行車(chē)舒適性,甚至危及高速行車(chē)時(shí)的安全。對(duì)橋梁梁體結(jié)構(gòu)下?lián)系某梢?國(guó)內(nèi)外均有大量學(xué)者做過(guò)研究,其研究或是針對(duì)某特定橋梁展開(kāi),或是對(duì)橋梁梁體下?lián)系某梢蚝吞幚矸椒?總的來(lái)說(shuō)可以歸納為以下幾種原因:縱向預(yù)應(yīng)力的損失、豎向預(yù)應(yīng)力的損失、混凝土收縮徐變的影響、結(jié)構(gòu)剛度變化、溫度變化、剪力滯效應(yīng)、混凝土強(qiáng)度和施工質(zhì)量、使用荷載超限等,而最主要的因素是預(yù)應(yīng)力的損失[2～5]。

1.1.2 梁體開(kāi)裂

在預(yù)應(yīng)力橋梁使用中發(fā)現(xiàn),有相當(dāng)數(shù)量的混凝土箱梁在頂板、腹板、底板、橫隔板以及齒塊等部位出現(xiàn)了各種不同形式的裂縫,其中箱梁腹板裂縫最為普遍和嚴(yán)重。腹板裂縫一般集中在1/8跨至3/4跨之間,其中距支座L/4附近腹板斜裂縫數(shù)量較多,裂縫開(kāi)展寬度一般在0.15～0.5mm之間;通常腹板內(nèi)側(cè)的裂縫數(shù)量較多,夏季縫寬較冬季有所增大,較寬的裂縫貫透腹板,在結(jié)構(gòu)上呈一定的對(duì)稱性。文獻(xiàn)[6]對(duì)我國(guó)19座己建成、有代表性的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的裂縫情況進(jìn)行了調(diào)查分析。將裂縫的成因分兩大類(lèi):一是混凝土在形成強(qiáng)度過(guò)程中形成的裂縫;一是在后續(xù)施工(如預(yù)應(yīng)力張拉或拆架)和使用階段形成的裂縫。目前普遍認(rèn)為該類(lèi)橋梁裂縫產(chǎn)生的主要原因是由設(shè)計(jì)計(jì)算方法、混凝土收縮徐變、溫度、施工因素等引起的應(yīng)力損失。

1.1.3 梁體斷裂

由于預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力失效或梁體裂縫,特別是縱向預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大引起下?lián)虾偷装鍣M向裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)發(fā)展到一定程度,由量變轉(zhuǎn)為質(zhì)變,使梁體發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。

1.2 典型案例分析

1.2.1 國(guó)內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁病害案例

1)黃石長(zhǎng)江大橋。該橋?yàn)橐蛔?跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,跨徑布置為162.5+3×245m+162.5m,于1995年建成。該橋運(yùn)營(yíng)7 a后,大橋中跨3#墩和4#墩之間主梁跨中下?lián)线_(dá)21.2 cm,南岸次邊跨4#墩和5#墩之間主梁跨中下?lián)侠塾?jì)達(dá)22.6 cm,特別是北岸次邊跨2#墩和3#墩之間主梁跨中下?lián)侠塾?jì)甚至已達(dá)30.5 cm,伴隨下?lián)喜『Φ耐瑫r(shí),該橋共發(fā)現(xiàn)6 638條裂縫[7]。從檢測(cè)資料上表明主梁正彎矩區(qū)底板和負(fù)彎矩區(qū)頂板縱向預(yù)應(yīng)力有效性的降低都會(huì)使主梁跨中產(chǎn)生下?lián)?是跨中持續(xù)下?lián)系闹饕蛑?而主梁剛度的變化和荷載增加對(duì)主梁跨中下?lián)嫌绊懞苄　Ｒ虼?主梁下?lián)虾芸赡苁侵髁赫龔澗貐^(qū)底板和負(fù)彎矩區(qū)頂板縱向預(yù)應(yīng)力有效性降低而引起的。

2)三門(mén)峽黃河公路大橋。該橋主橋?yàn)橐蛔?跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,跨徑布置為105 m+4×160m+105 m,于1993年建成通車(chē)。2002年6月對(duì)該橋的檢查發(fā)現(xiàn),跨中區(qū)域下?lián)献畲筮_(dá)到22 cm,另外箱梁腹板出現(xiàn)大量斜裂縫,且裂縫長(zhǎng)度數(shù)量不斷增加,結(jié)構(gòu)承載力有下降趨勢(shì)[8]。經(jīng)監(jiān)測(cè),該病害是由于不正確的壓漿工藝和潮濕空氣的侵蝕等原因,使箱梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線發(fā)生嚴(yán)重銹蝕,從而導(dǎo)致橋梁承載降低。

3)鶴洞大橋。該橋主橋西岸邊跨1997年4月下旬完成,6月2日測(cè)得跨中下沉68mm,至6月8日完成臨時(shí)墩加固后,測(cè)得南主縱梁撓度最大值126mm,北縱梁撓度119 mm,梁體下部多處開(kāi)裂,最大裂縫寬度0.78 mm。分析表明造成西岸邊跨臨時(shí)墩局部變形及主縱梁下?lián)系脑蚩蓺w納為:一是主縱梁預(yù)應(yīng)力在施工期間有損失;二是鋼絞線在主縱梁內(nèi)基本為平行水平布設(shè),鋼絞線張拉后沒(méi)產(chǎn)生較大的垂直分力來(lái)抵受自重,增加了臨時(shí)墩的載荷負(fù)擔(dān);三是缺少加勁肋加強(qiáng)和減小腹板厚度導(dǎo)致臨時(shí)墩工字鋼失穩(wěn)。

1.2.2 國(guó)外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁病害案例

在國(guó)外,預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁病害也很普遍,如科羅?巴島橋是一座跨中帶鉸的3跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土剛架橋,其跨徑組合為72m+241m+72m,是當(dāng)時(shí)世界上同類(lèi)橋梁中跨徑最大者。1978年建成通車(chē),通車(chē)后不久就產(chǎn)生了較大的撓度,到1990年,其撓度達(dá)到1.2m,且橋身產(chǎn)生大量裂縫,1996年加固結(jié)束,加固不到3個(gè)月又發(fā)生倒塌事故[9]。英國(guó)的Kingston橋是一座跨徑布置為62.5 m+143.3m+62.5 m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋,主跨中央帶鉸。1970年建成后跨中撓度緩慢加大,至1998年己經(jīng)超過(guò)30 cm[10]。美國(guó)1979年竣工的鸚鵡渡口橋,跨徑布置為99 m+195m+99m,上部結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)混凝土。該橋在使用12 a后,195m的主跨跨中下?lián)狭?3.5 cm。此外表1列出了其他國(guó)外典型大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的下?lián)锨闆r。

表1 典型大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的下?lián)锨闆r

由上可知:預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的常見(jiàn)病害是梁體下?lián)虾烷_(kāi)裂。而這些常見(jiàn)病害在橋梁檢測(cè)和試驗(yàn)中無(wú)法體現(xiàn),特別是梁體的下?lián)?在成橋荷載試驗(yàn)時(shí),橋梁的承載力能夠達(dá)到要求,但服役階段,在荷載特別是活載作用下,跨中將持續(xù)下?lián)稀＿@主要是因?yàn)槟壳邦A(yù)應(yīng)力施工工藝不成熟導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力不均勻度過(guò)大,進(jìn)而造成預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大,即相當(dāng)于有效預(yù)應(yīng)力大的鋼筋承受了本應(yīng)該由所有預(yù)應(yīng)力筋承受的力,這樣有效預(yù)應(yīng)力大的鋼筋在使用階段逐漸屈服,梁體也隨之下?lián)?。而隨著梁體下?lián)虾烷_(kāi)裂的不斷發(fā)展,橋梁承載力將嚴(yán)重下降,甚至有斷裂的危險(xiǎn)。

2 預(yù)應(yīng)力施工工藝現(xiàn)狀

2.1 錨具的質(zhì)量存在問(wèn)題

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力筋錨具、夾具和連接器》(GB/T 14370)的要求,預(yù)應(yīng)力筋錨具、夾具和連接器應(yīng)具有可靠的錨固性能、足夠的承載能力和良好的適用性,用于有抗震要求結(jié)構(gòu)中的錨具、預(yù)應(yīng)力筋錨具組裝件還應(yīng)滿足循環(huán)次數(shù)為50次的周期荷載試驗(yàn)。但在進(jìn)行周期荷載性能試驗(yàn)時(shí)能確保充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度,安全地實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè),同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行靜載錨固性能試驗(yàn),現(xiàn)行的人工加載試驗(yàn)設(shè)備存在以下缺點(diǎn):

1)加載速度不容易控制:GB/T 14370標(biāo)準(zhǔn)中要求的加載速度為100MPa/min,手動(dòng)控制試驗(yàn)設(shè)備不易實(shí)現(xiàn)。

2)無(wú)法實(shí)施周期荷載試驗(yàn):周期荷載試驗(yàn)要求在預(yù)應(yīng)力鋼材抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的40%到80%之間循環(huán)荷載50次,手動(dòng)進(jìn)行這樣的控制幾乎不可能。

3)靜載試驗(yàn)的加載重復(fù)精度低:由于是人工手動(dòng)控制,同組試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)有較大差異。

2.2 預(yù)應(yīng)力張拉控制存在問(wèn)題

目前預(yù)應(yīng)力張拉控制一般采用“雙控法”——壓力表讀數(shù)和伸長(zhǎng)值,預(yù)應(yīng)力的大小主要由普通壓力表控制,影響預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)物張拉“雙控”合格的因素有很多,一般來(lái)說(shuō)主要有兩類(lèi),即原材料和施工人員的技術(shù)素質(zhì)。若嚴(yán)格按照規(guī)范的施工工藝進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施工,“雙控法”是可以滿足錨下有效預(yù)應(yīng)力控制精度要求的。但“雙控法”存在人工讀數(shù)的影響、壓力表標(biāo)定條件與現(xiàn)場(chǎng)施工條件之間的差異等將導(dǎo)致誤差。普通壓力表精度較低,對(duì)于大噸位預(yù)應(yīng)力束難于準(zhǔn)確控制張拉應(yīng)力;其次,所用機(jī)具的標(biāo)定混亂:千斤頂、壓力表和油泵應(yīng)當(dāng)是一個(gè)完整的張拉施力系統(tǒng),必須結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)整體標(biāo)定,實(shí)際上卻是分割標(biāo)定,只標(biāo)定千斤頂與壓力表,有的還是動(dòng)態(tài)標(biāo)定,其誤差大又違背使用條件,往往導(dǎo)致張拉停頓持荷中張拉力偏大。

2.3 有效預(yù)應(yīng)力大小和不均勻度不滿足要求

葉志華在大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力束沿程應(yīng)力試驗(yàn)研究中表明:同一預(yù)應(yīng)力束中不同鋼絞線之間受力不均勻,且差別較大;預(yù)應(yīng)力束的沿程應(yīng)力分布從張拉端向鋼束中部(兩端張拉)或向被動(dòng)端(一端張拉)逐漸減小[11]。造成的主要原因?yàn)槭┕埨皢胃┦斐山g線相互纏繞,鋼絞線在管道內(nèi)的分布狀態(tài)、松緊程度不一致,特別是曲線段,鋼束的內(nèi)圈與外圈長(zhǎng)度相差較大,不能達(dá)到受力均勻;施工時(shí)在兩端安裝時(shí)夾片不平齊也會(huì)造成各根鋼絞線之間受力不均;張拉完畢后錨固前持荷時(shí)間過(guò)短,不能保證預(yù)應(yīng)力的充分傳遞,尤其是對(duì)于較長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力筋。目前由這3個(gè)原因引起應(yīng)力不均非常普遍。另外,采用懸臂法澆筑的連續(xù)剛構(gòu)橋,預(yù)應(yīng)力管道跨越幾個(gè)節(jié)段,其實(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束與管道的實(shí)際摩擦系數(shù)每段都存在差異,也是原因之一。以上問(wèn)題導(dǎo)致張拉控制應(yīng)力與設(shè)計(jì)值偏差過(guò)大,預(yù)應(yīng)力過(guò)大,可能導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋的破斷,造成結(jié)構(gòu)過(guò)大變形或出現(xiàn)裂紋;過(guò)小,則預(yù)應(yīng)力度不足,造成結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、下?lián)系取?/p>

2.4 缺乏檢測(cè)驗(yàn)收的評(píng)估手段

現(xiàn)行規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力工程施工中有效預(yù)應(yīng)力控制與檢測(cè),都有十分明確的要求,但僅僅采用雙控法根本無(wú)法達(dá)到規(guī)范的要求。由于缺乏完整的檢測(cè)手段,使用傳感器進(jìn)行檢測(cè)的方法只能被動(dòng)檢測(cè),不能主動(dòng)控制,同時(shí)精度不高,加之價(jià)格因素,無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)。造成混凝土結(jié)構(gòu)中建立的預(yù)應(yīng)力狀況與設(shè)計(jì)相差較大,使得梁體存在問(wèn)題而導(dǎo)致其下?lián)虾统霈F(xiàn)裂縫,甚至斷裂等后果。

3 展望

隨著大跨度、大懸挑混凝土構(gòu)件的不斷出現(xiàn),混凝土預(yù)應(yīng)力構(gòu)件也越來(lái)越多。這樣預(yù)應(yīng)力混凝土工程施工工藝將更為復(fù)雜,對(duì)其質(zhì)量要求也較高,因此我們需充分了解和不斷完善傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力施工工藝的諸多缺陷,嚴(yán)格實(shí)行預(yù)應(yīng)力精細(xì)化施工,積極開(kāi)展橋梁預(yù)應(yīng)力施工跟蹤檢測(cè)和過(guò)程驗(yàn)收是保證橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力度,防止預(yù)應(yīng)力橋梁開(kāi)裂和超限下?lián)?以及保證橋梁的行車(chē)舒適度、保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全和耐久性的根本途徑。同時(shí)需加快研究成果向設(shè)計(jì)規(guī)范轉(zhuǎn)化步伐,指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。

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