超宽幅预应力混凝土连续箱梁混凝土裂缝控制1

1超宽幅大跨度预应力混凝土连续箱梁混凝土裂缝控制摘要：预应力混凝土连续箱梁不但结构刚度大、行车平顺性好、耐久性高和它的养护简单，而且因为箱梁的构件截面小，还具有自重轻、节约大量钢材、轻柔美观的特点。然而由于各种因素的影响，许多预应力连续箱梁出现了不同程度的裂缝病害。而对于超宽幅的大跨度预应力混凝土连续箱梁的裂缝灾害就很严重。关键词：超宽幅、大跨度、连续箱梁、裂缝控制1.引言随着我国技术的越来越成熟、材料越来越进步、现在社会的需要越来越大。预应力混凝土连续箱梁桥发展迅速。我国预应力混凝土连续箱梁的建设在一段时间内得到了很多发展，随着这些桥梁相继的投入使用，它也出现了许多的问题，特别是混凝土裂缝这个混凝土材料的一大问题也很严重。比如：桥梁出现了的开裂现象，特别是在箱梁的腹板处、顶板处、底板处还有横隔板等位置开裂问题严重，存在大面积的开裂现象。而混凝土的开裂将会影响桥梁的整体的或局部的刚度下降，从而进一步引起跨中挠度的下降。这些连续箱梁出现的裂缝问题以及裂缝引起的跨中挠度问题产生的影响有：1、影响桥梁的使用安全；2、较多裂缝的出现不仅会影响了桥梁的美观,还会对箱梁的承载力和耐久性产生较大的影响。其主要的影响表现为：（1）、裂缝使箱梁的受力有效截面减少，降低了桥梁的安全度，甚至可能造成桥梁箱梁的结构破坏；（2）、裂缝使箱梁的部分钢筋失去保护层而暴露在空气中使其受到空气中有害气体的侵蚀，从而加速钢筋的锈蚀，消弱箱梁的耐久性，大大缩短了箱梁的使用寿命；（3）、裂缝会削弱箱梁的刚度，使箱梁跨中挠度增大。而过大的挠度不仅影响行车的舒适度，也可能改变受力体系及内力分配，使裂缝进一步扩展，形成恶性循环；（4）、裂缝的大量出现，不仅影响到桥梁的美观，也会使人们产生桥梁已经处于不安全状态的心理。2、超宽幅大跨度预应力混凝土连续箱梁桥现在中国城市发展迅速，人民生活水平越来越高，在中国的人均拥有车的数量越来越大，这也导致城市交通压力越来越大，出现越来越多的城市高架桥对城市桥梁的车道要求越来越多，桥面宽度越来越宽，对桥的跨越能力要求越来越高，跨径越来越大。在普通钢筋混凝土连续梁桥结构中，有一个适用跨度，一般在15～30m之间，当跨径2再增大时，结构自重产生的应力迅速增大，混凝土就有可能出现裂缝，虽然钢筋混凝土结构带裂缝工作属于正常情况，但是对于处在室外的桥梁结构来说，裂缝无疑是桥梁结构的致命缺陷，于是能增加一定跨度，又能很好控制裂缝出现的预应力混凝土连续梁桥得以广泛应用。梁体属于受弯构件，受弯构件在设计时，不仅强度要满足要求，其变形（挠度）也有一定的要求，不能超过规范的允许值。受均布荷载受弯构件的跨中最大挠度，与构件跨度的四次方、荷载的大小成正比，而与构件截面高度的三次方、构件截面的宽度成反比。也就是说，当挠度值固定时，要加大构件的跨度，就必须增加构件的截面高度（增加宽度作用不大）。空心板由于受建筑要求的限制，截面高度不可能太大，所以它的跨度也就受到了限制。箱梁由于截面高度较大，所以它的跨度也就比空心板大得多。与其他截面形式相比较，箱型截面有其自身独特的很多优点。箱形截面的整体性强，它不但能够提供足够的混凝土受压面积。而且由于截面的闭合特性，抗扭刚度很大，因而它是大跨度连续体系桥梁常用的截面形式。箱形截面根据桥面宽度、施工方式等的不同可以采用不同的形式。由材料力学知道，一个结构受弯，发挥材料最大作用的其实是最外面部分的材料。对箱梁截面来说，由于材料分布在最外面，截面中间是空的，这样既可以满足结构的抗弯要求，同时截面的形式使得自重比较轻，而且还节省了材料；承重结构和传力结构相结合，使各部件共同受力，截面效率高并适合预应力混凝土结构的空间布束，因此具有较好的经济性；再就是箱形截面是一种闭口薄壁截面，梁的整体性较强，其抗扭刚度大，截面效率指标较T形截面高，结构在施工和使用过程中都具有良好的稳定性。所以宽幅大跨径的预应力混凝土连续箱梁桥将会在工程出现的越来越多。以吉林省吉林市雾凇高架桥为例，全桥总长838.73米，全桥均为现浇箱梁结构，采用左右幅布置，分为6’联，其中跨铁路桥梁（第4’、5’联）采用33米宽的标准横断面。它的跨径大，特别是桥面宽度宽，就是超宽幅大跨度的预应力混凝土连续箱梁结构。3图1高架桥第5’联横截面图图2高架桥主线布置图3、预应力混凝土连续箱梁桥典型裂缝病害混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝开始。所以，对混凝土结构的损伤检测，首先应从对结构的裂缝调查、检测与分析入手。而混凝土箱梁梁体的裂缝是混凝土材料中的某种不连续现象，属于学术上的结构材料强度理论范畴。一方面，裂缝的扩展是结构物破坏的初始阶段，可能会对结构的承载力、耐久性产生一定的威胁；另一方面，通过近代科学对于混凝土强度的习惯研究以及大量的工程实践所提供的经验来看，结构产生裂缝是不能避免的，裂缝的出现应该被认为是允许接受的一种材料特征。如果对结构的抗裂要求过于严苛，势必造成经济上的浪费。因此，科学的做法应该是将结构物的开裂程度控制在一个合理的允许范围内。从裂缝出现的位置，箱梁桥的裂缝可分为:顶板裂缝、腹板裂缝、底板裂缝、横隔板裂缝；从裂缝的力学特性可以分为:弯曲裂缝、剪切裂缝、扭曲裂4缝、断开裂缝、局部应力引起的裂缝；从裂缝产生的外因可以分为:荷载裂缝、温度裂缝、收缩裂缝、基础变形裂缝、钢筋锈蚀裂缝和冻胀裂缝等。裂缝按照其可视性又可以分为微观裂缝和宏观裂缝，微观裂缝是肉眼看不见的，其范围一般以0.05mm，大于等于0.05mm的裂缝称为宏观裂缝。宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。一般的结构中，宽度小于0.05mm的裂缝对使用都无危险性，所以一般认为裂缝宽度小于0.05mm的结构是无裂缝结构，所谓不允许产生裂缝的设计，也只可能是相对的不大于0.05mm初始裂缝宽度的结构。故混凝土存在裂缝是绝对的，而无裂缝情况是相对的，所谓的结构抗裂质量只不过是把裂缝的宽度控制在了一定的范围而已。根据近代的混凝土亚微观方面的研究，微裂的扩张程度标志着材料的破损程度，而且存在裂缝也是材料自身固有的一种物理现象。在工程建设过程中,我们必须要强调高质量严要求,但是也同时要强调科学和技术进歩,应使工程同时满足经济合理、质量可靠和施工周期的要求,可采用如下标准1、优良在施工后至投入使用期间，其变形和施工荷载在不超过抗裂荷载时，结构没有出现宏观裂缝。在变形和施工荷载大于抗裂荷载时，结构只出现小于规范规定的裂缝，但不影响其使用要求；投入使用之后，结构不产生大于设计荷载条件下的最大裂缝宽度。结构因为变形作用而产生的裂缝，在交工之前应妥善处理再交付使用。2、合格结构在施工后，其变形和施工荷载在未超过抗裂荷载的条件下，出现了宏观裂缝，但不影响其使用要求。在施工荷载超过抗裂荷载的条件，出现了大于规范限定的裂缝。经过对裂缝处理后，结构重新投入使用期间，裂缝宽度应符合基于设计使用荷载条件下的裂缝宽度限值。上述的两种情况属于轻微裂缝。3、较差结构物出现了许多大于规范限值的裂缝，且出现了蜂窝麻面，但根据裂缝的部位、性质以及结构特点，可以判断裂缝对于结构的承载力无严重影响，根据耐久性及美观等方面的使用要求，对其适当处理或者略加封闭就可以保证工程的正常使用。这种情况属于中等程度的裂缝。4、不合格结构物出现了远超过规范所规定的裂缝，同时又存在大量的蜂窝空洞，经分析，裂缝对结构的承载力有严重的影响或者存在结构失稳以及结构产生脆性破坏的可能性，应立即采取5相应的加强补强措施后方能使用者。从技术上来说，一般不宜轻易的做出报废的结论，故此类结构物报废或者推到重建者占极少数。此为严重裂缝。凡是影响结构的承载力或使用条件的裂缝称为有害裂缝，反之则称为无害裂缝。4、超宽幅大跨径预应力混凝土连续箱梁裂缝成因分析混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。其原理是混凝土结构为受压构件，而梁体在施工和使用过程中会产生拉应力，预应力混凝土通过张拉预应力钢束是结构产生压应力来抵消梁体的拉应力，即预应力混凝土结构中混凝土受压，预应力钢筋受拉，当预应力钢筋提供的压应力无法满足要求时就会提前和更多的产生裂缝。所以虽然引起裂缝的原因很多，但可归纳为两大类。第一类：由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝（又称为受力裂缝），其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。与张拉的预应力钢束的有效预应力有关，这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。第二类：由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等，这些因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得到释放，拉应力也就消失了。两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同，有时两类裂缝融合在一起。调查资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%；以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。对于超宽幅大跨径的预应力混凝土连续箱梁，如吉林省吉林市雾凇高架桥，它的桥面宽度更宽，跨度更大，梁体的自重、温度混凝土收缩引起的结构变形更大，就越容易和越快产生混凝土裂缝。而且雾凇高架桥位于吉林省吉林市，其处于东经125〃40′～127〃56′，北纬42〃31′～44〃40′。属于北温带大陆性季风气候。它的秋季昼夜温差大，冬季漫长，干燥而寒冷，多西北风。冬季气温很低，一般低于0℃。每年稳定冻结期为11月上旬～翌年4月上旬。所以高架桥还受气温季节的影响很大。5、超宽幅大跨径预应力混凝土连续箱梁裂缝控制5.1超宽幅大跨径的预应力混凝土连续箱梁因为它的桥面宽度和跨度的因素，所以它的自重更大，跨中挠度更大，结构产生的拉应力也越大，是产生混凝土裂缝的重要因素。6控制混凝土裂缝可以通过减少结构自重，提高混凝土梁体的工程质量，提高有效预应力。5.11在结构设计时应充分考虑混凝土因自重产生裂缝的问题，应该优化结构的截面，减小结构自重，预应力钢束在截面上的合理分布，提高预应力钢束的利用率，来减小跨中挠度。它在设计时，除了应认真利用现行公路桥梁设计规范外，还应结合设计经验和教训，借鉴钢桁梁桥抗剪构造和箱梁桥裂缝加固比拟法、钢筋混凝土梁结构配筋要求、国家有关部门制定的相关标准及国外有关标准。5.12混凝土结构本身能够承受一定的拉应力，在施工时应该严格按照要求规范施工，保证结构质量。而且混凝土质量越好，有效预应力越高。以吉林省吉林市雾凇高架桥为例，梁体采用现浇箱梁，后张法，它的预应力由预应力钢束张拉提供预加压应力是通过当现浇混凝土的强度达到设计强度的70%后张拉钢筋，有混凝土与钢筋之间的摩擦力和锚固端的应力提供预应力，如果混凝土质量和强度没有达到要求，也会影响到钢筋混凝土的预应力，也影响到钢筋混凝土的有效预应力。5.13有效预应力是抵消混凝土拉应力，减少混凝土裂缝以及延迟裂缝产生的主要因素，所以我们要保证超宽幅大跨度预应力混凝土连续箱梁桥的有效预应力。(1)建立专业质量保证体系现场建立预应力专业施工的质量保证体系，组成质量管理领导小组。负责从材料检验、过程控制、张拉、数据整理的全过程质量监控。(2)结合现场施工要求，建立健全严格的质量检查验收制度。制定预应力钢绞线进场检验标准、锚具进场检验标准、波纹管进场检验标准、预应力筋、波纹管施工安装质量标准、混凝土施工要求、养护要求、预应力筋张拉前混凝土施工质量检验、张拉设备要求、张拉应力、伸长值量测要求、锚具张拉口施工处理、验收等指标，加强材料及工序质量验收。预应力工程验收程序。(3)质量保证措施①加强与设计的结合，重点对预应力筋的张拉锚固端部的构造处理，张拉顺序、张拉应力控制、伸长值的计算等方面进行必要的沟通，并依设计要求，作必要的实验，取得可靠数据，以指导施工，为结构安全提供可靠的保证。②严格控制预应力钢绞线、锚具等预应力结构用材料的质量，材料进场后，要按规范要求进行取样试验，取得钢绞线的弹性模量、锚具的锚固效率系数等数值，特别是要多次张拉，对锚夹片的硬度、韧度提出了更高的要求。③材料进场后，要采取防雨防潮措施，将钢绞线架空堆放并覆盖好；要管理好进7场锚具、钢绞线、夹片等材料，防止