燕保彬,劉旺興

(中交隧道工程局有限公司,北京 100020)

0 引言

隨著國家基建的快速發(fā)展,橋梁數(shù)量不斷增多?，F(xiàn)澆混凝土箱梁空間整體受力性能良好,抗扭剛度大,在施工和使用過程中都具有較好的穩(wěn)定性,能適應(yīng)在支點處有負彎矩的連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)和各種現(xiàn)代施工工藝的要求,在現(xiàn)代各橋梁結(jié)構(gòu)體系中得到廣泛應(yīng)用。但在實際橋梁施工過程中,箱梁裂縫問題時有發(fā)生,有些裂縫在澆筑后不久便產(chǎn)生,有些裂縫在運營過程中出現(xiàn),這些裂縫若不能及時處理,便會對橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能和安全性造成極大威脅,因此對箱梁裂縫的理論認識、健康監(jiān)測和高效處置至關(guān)重要。

針對現(xiàn)澆混凝土箱梁的早期裂縫,國內(nèi)外學(xué)者進行了很多研究,早在20世紀便有學(xué)者對混凝土工程結(jié)構(gòu)中混凝土開裂的問題進行了研究,發(fā)現(xiàn)很大一部分裂縫是因為混凝土內(nèi)部溫度變化從而導(dǎo)致其內(nèi)部體積變化引起[1]。有學(xué)者認為混凝土在強度生成過程中,早期水化熱和自身收縮效應(yīng)會導(dǎo)致新澆筑混凝土產(chǎn)生內(nèi)外溫差,從而導(dǎo)致熱裂縫產(chǎn)生,并在實驗室進行了驗證,同時,還得出混凝土裂縫數(shù)目及間距除受混凝土內(nèi)外溫差影響外,還受到鋼筋數(shù)量、鋼筋直徑、保護層厚度等因素影響的結(jié)論[2]。國外學(xué)者Emborg等進行了混凝土膨脹、徐變、松弛等試驗,并與有限元方法相結(jié)合,分析了混凝土內(nèi)早期溫度應(yīng)力對其開裂的影響,結(jié)果表明,使用有限元方法分析時,混凝土自身的傳熱效應(yīng)、早期的溫度變化、混凝土中鋼筋數(shù)量等影響較大[3];呂志濤等于2001年在對我國預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋技術(shù)與發(fā)展的回顧和展望中總結(jié)了目前預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋設(shè)計、施工中的裂縫問題,從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面和施工工藝方面總結(jié)了受力裂縫和非受力裂縫的成因,強調(diào)了裂縫成因分析的重要性等[4];隨后,陳肇元等學(xué)者全面總結(jié)并論述了鋼筋混凝土裂縫的不同機理及對應(yīng)的控制措施,提出通過改善混凝土原材料配合比、做好溫度控制、有效利用控制縫等構(gòu)造、嚴格要求施工技術(shù)等進行裂縫控制[5];袁明虎等進行了大量調(diào)研,發(fā)現(xiàn)早期溫度變化導(dǎo)致混凝土箱梁產(chǎn)生非受力裂縫的現(xiàn)象較普遍,并提出通過添加劑來改善裂縫產(chǎn)生[6];曾志長[7]、劉睫等[8]通過有限元仿真分析對大體積混凝土的裂縫情況進行了研究,提出通過蒸養(yǎng)和管冷方式整體控制混凝土內(nèi)外溫差,從而控制溫度裂縫的產(chǎn)生。

由以上綜述可知,混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的裂縫問題較常見,本文以實際現(xiàn)澆混凝土箱梁橋工程為例,通過理論分析方法與有限元方法相結(jié)合的方式對現(xiàn)澆混凝土箱梁早期裂縫的成因進行研究。

1 工程概況

國道527(嵊州段)主線全長4.276km,總體走向自東南向西北,共設(shè)大橋1 027.8m(2座),互通式交叉匝道橋249m(1座),均采用雙向4車道一級公路標準,主要技術(shù)標準為:設(shè)計荷載為公路-I級,設(shè)計速度40km/h,橋梁寬度10m,橋梁設(shè)計基準期100年。本標段內(nèi)現(xiàn)澆箱梁共3聯(lián),為東葉家互通A匝道橋第3～5聯(lián),跨徑為3×25m+(29+30+28)m+(28+30+29) m;梁高2.0m,橋面寬度10m,下部結(jié)構(gòu)橋臺采用座板臺,橋墩采用柱式墩,墩臺采用樁基礎(chǔ)。箱梁結(jié)構(gòu)主要尺寸為:橋面寬度10m,底板寬度6m,梁高2m,挑臂長度2m,頂、底板厚度25～50cm,腹板厚度50～80cm,支座間距4.6m。

因工程需要,施工單位依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程和標準[9-10]對A匝道橋第3聯(lián)箱室進行裂縫檢測。裂縫的寬度、長度、深度分別采用裂縫寬度觀測儀(ZBL-F130)、鋼卷尺、非金屬超聲檢測儀(ZBL-U520)進行檢測。如圖1所示,所有裂縫均位于箱梁頂板,第3聯(lián)1號箱室有9條裂縫,總長15.3m,裂縫寬度在0.100～0.014mm,其中裂縫最長為2m,裂縫深度最大為22.3mm;第3聯(lián)2號箱室有7條裂縫,裂縫總長17.40m,裂縫寬度在0.100～0.192mm,其中裂縫最長為5.3m,裂縫深度最大為21.3mm;第3聯(lián)3號箱室有2條裂縫,裂縫總長5.23m,其中裂縫最長2.73m,裂縫寬度在0.055～0.096mm,裂縫深度最大為12.2mm。箱室裂縫分布如圖2所示。

圖1 第3聯(lián)各箱室裂縫

圖2 第3聯(lián)各箱室裂縫分布

2 裂縫成因分析

A匝道現(xiàn)澆梁地基處理及支架預(yù)壓均嚴格按施工方案施工,堆載預(yù)壓采用水袋預(yù)壓,如圖3所示,預(yù)壓數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進行卸載,部分預(yù)壓監(jiān)測結(jié)果如表1所示。本項目現(xiàn)澆箱梁裂縫表現(xiàn)為:裂縫多為表面性的不規(guī)則、不連貫微裂縫,寬度0.05～0.2mm,較薄的梁板中多沿其短向分布。表面橫向裂縫及斜向裂縫位置集中在箱室頂板,底腹板均未發(fā)現(xiàn)裂縫,同時,頂板裂縫為在鋼束張拉前早期形成,為非結(jié)構(gòu)性裂縫。推測箱梁裂縫并非是因為地基或支架沉降而造成的受力裂縫。

表1 A匝道第3聯(lián)8～9號墩現(xiàn)澆梁翼緣板預(yù)壓沉降成果

圖3 水袋預(yù)壓

東葉家互通A匝道第3聯(lián)頂板混凝土澆筑當(dāng)天為陰天,溫度在25～32℃。澆筑前內(nèi)箱模板未進行灑水保濕,澆筑采用1臺泵車,澆筑順序由低到高。澆筑完成后未進行混凝土收面,采用土工布覆蓋灑水養(yǎng)護。由于現(xiàn)場養(yǎng)護不到位,箱室內(nèi)因模板未拆除不能及時進行灑水養(yǎng)護。在箱梁澆筑前未灑水濕潤模板,造成模板吸取混凝土表面水分,高溫天氣造成水分蒸發(fā)過快。同時,施工周期跨越汛期及高溫季節(jié)、混凝土分層澆筑齡期差,混凝土導(dǎo)熱性較差,會產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力[11-14]。此外,施工養(yǎng)護、鋼束張拉齡期、混凝土收縮徐變也是頂板形成裂縫的主要原因。

3 有限元分析

3.1 有限元建模

采用有限元分析軟件ABAQUS模擬溫度對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁早期裂縫的影響。考慮模型計算效率,選取東葉家互通A匝道橋第3聯(lián)第1跨進行建模分析,模型尺寸如圖4所示?；炷撩芏葹?2 600kg/m3, 彈性模量取34.5GPa,泊松比、線膨脹系數(shù)分別取0.2,1.0×10-5/℃。同時,在短期溫度作用下,不考慮混凝土的彈性模量折減問題[11]。

圖4 有限元建模(單位:cm)

結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度并參考文獻[15]設(shè)置3種溫差工況,工況1為10℃,工況2為15℃,工況3為20℃?；炷料淞耗Ｐ驮诠r2作用下的應(yīng)力分布情況如圖5所示。由圖5可知,頂板橫橋向應(yīng)力水平整體較低,而順橋向應(yīng)力較大,因此對混凝土箱梁頂板縱向應(yīng)力進行分析。同時,在頂板順橋向定義3條應(yīng)力路徑,提取并分析各路徑的應(yīng)力水平,路徑1～3如圖6所示,路徑1為順橋向頂板表面橫向中點位置,路徑2為順橋向頂板表面橫向1/3處,路徑3為順橋向腹板上部對應(yīng)頂板表面位置。

圖5 混凝土箱梁工況1應(yīng)力水平

圖6 各工況路徑

3.2 分析與討論

各路徑的應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可知,3條路徑對應(yīng)不同工況作用下呈現(xiàn)出相似的規(guī)律,應(yīng)力水平均在各路徑中部達到峰值。對于路徑1,各工況下應(yīng)力水平整體上先上升后下降。還可發(fā)現(xiàn)溫差越大,頂板路徑1的應(yīng)力越大,工況1的峰值應(yīng)力為1.57MPa,工況2的峰值應(yīng)力為1.76MPa,工況3的峰值應(yīng)力可達1.93MPa,工況3分別比工況1和工況2的峰值應(yīng)力高22.93%和9.66%。對于路徑2,工況1的峰值應(yīng)力為1.61MPa,工況2的峰值應(yīng)力為1.81MPa,工況3的峰值應(yīng)力可達1.96MPa,工況3分別比工況1和工況2的峰值應(yīng)力高21.74%和8.29%。對于路徑3,工況1的峰值應(yīng)力為1.66MPa,工況2的峰值應(yīng)力為1.87MPa,工況3的峰值應(yīng)力可達2.02MPa,工況3分別比工況1和工況2的峰值應(yīng)力高21.69%和8.02%。

圖7 各路徑應(yīng)力分布

由以上分析并結(jié)合圖6可知,在橫橋向,頂板應(yīng)力整體水平較低,遠低于頂板順橋向應(yīng)力;在順橋向,溫度作用對混凝土箱梁頂板跨中影響最大,且溫差越大,產(chǎn)生的順橋向應(yīng)力越高。在橫橋向,溫差導(dǎo)致混凝土箱梁頂板產(chǎn)生的順橋向應(yīng)力呈現(xiàn)出越靠近腹板位置產(chǎn)生的應(yīng)力越小,而越靠近橫橋向中部產(chǎn)生的應(yīng)力越大的規(guī)律?；炷料淞喉敯逵捎跍囟茸饔卯a(chǎn)生的順橋向應(yīng)力越大,就越易出現(xiàn)橫向裂縫病害。在本工程中,第3聯(lián)共出現(xiàn)18條裂縫,均為橫向裂縫,且靠近跨中位置的裂縫占60%以上,與有限元分析規(guī)律較吻合。

4 裂縫處治與防治

4.1 溫度裂縫修復(fù)

本工程裂縫寬度均<0.2mm,小于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中三級裂縫控制等級。裂縫處治時,應(yīng)根據(jù)裂縫寬度采取相應(yīng)的處治措施。裂縫寬度≥0.1mm時,首先采取鋼絲刷等對縫口除污,并通過壓縮空氣對裂縫內(nèi)部進行處理,隨后依次進行騎縫膠騎縫埋設(shè)、粘貼注漿底座(見圖8)及封縫膠封縫。待封縫結(jié)束后,配置灌漿料,以0.2～0.5MPa的壓力注漿,注漿完成后及時將注漿孔封閉,膠體完全固化后對表面進行打磨處理。裂縫寬度<0.1mm時,可在清理裂縫后直接刮抹專用的封閉結(jié)構(gòu)膠,最后待膠體固結(jié)后進行打磨處理。

圖8 粘貼灌漿底座

4.2 溫度裂縫預(yù)防

現(xiàn)澆箱梁由于強度生成過程中自身產(chǎn)生的水化熱和日照溫差等因素導(dǎo)致混凝土表面與內(nèi)部產(chǎn)生一定溫差,從而產(chǎn)生了溫度變形和溫度應(yīng)力,進一步會導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)開裂情況。此種開裂并不少見,后續(xù)裂縫處治對工期影響較大,因此工程上仍需采取相應(yīng)的溫度裂縫預(yù)防措施。針對本工程中頂板開裂情況和有限元分析結(jié)果,提出以下預(yù)防措施:①優(yōu)化混凝土配合比,采用低水化熱水泥,降低水化熱;②根據(jù)不同季節(jié),采取適當(dāng)?shù)氖┕ご胧?夏季溫度較高,混凝土澆筑前應(yīng)注意充分浸濕模板,澆筑時分層澆筑并盡量避免正午施工,24h飽水養(yǎng)護,冬季溫度較低,采取設(shè)置保溫層等保溫方式,降低溫差引起的溫度應(yīng)力;③適當(dāng)增加抗裂纖維,增強混凝土的抗裂能力。

5 結(jié)語

1)國道527(嵊州段)現(xiàn)澆箱梁施工過程中出現(xiàn)了早期裂縫,結(jié)合地基處理、支架預(yù)壓等工序的施工記錄及裂縫特征進行分析,排除了地基、支架沉降原因,推測為養(yǎng)護不到位等原因?qū)е禄炷帘砻鎯?nèi)外溫差過大而引起的裂縫。

2)由有限元分析可知,溫差對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁頂板順橋向的影響較大,更易在順橋向引起較大的溫度應(yīng)力,從而引發(fā)頂板橫橋向裂縫病害。

3)混凝土導(dǎo)熱差,為避免預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁產(chǎn)生早期裂縫,需根據(jù)不同季節(jié)設(shè)置不同的防治措施;當(dāng)裂縫產(chǎn)生時,需根據(jù)其裂縫寬度進行精準處治修復(fù)。