汶河特大桥空心板的纵向开裂原因分析及防治

　　摘要：本文以泰莱高速公路上汶河特大桥为例，针对预应力空心板底出现纵向裂缝病害情况，结合实际情况深入分析预应力空心板产生纵裂的原因和机理，通过做砼强度、钢筋锈蚀情况、表面砼碳化等试验以及板内钢绞线数量同设计比对等多方面验证，探讨出该桥预应力空心板发生纵裂的根本原因，通过预应力空心板施工、混凝土空心板初期养护、空心板设计方面、桥梁后期改建加固等的控制，减少预应力空心板底出现纵向开裂，并提出了相应的防治措施。

　　关键词：预应力空心板桥;纵向裂缝;原因分析及防治

　　Abstract: Based on the Wen River Bridge in the Taylor highway, for example, longitudinal cracks, combined with the actual situation in-depth analysis of prestressed hollow plate of the cause and mechanism of the longitudinal fissure, and by doing concrete strength for prestressed hollow slab bottomsteel corrosion in the surface of the concrete carbonation test and plate strand number of the same design than many validation, investigate the root cause of the bridge prestressed hollow plate interhemispheric prestressed hollow slab construction, concrete hollow core slabsinitial curing, the design of the hollow plate, bridges and late alterations reinforcement of control, reduce longitudinal cracking in the end of the prestressed hollow slab, and the control measures.

　　Key words: prestressed hollow slab bridge; longitudinal cracks; Cause Analysis and Prevention

　　中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2012)

　　1、前言

　　在现代桥梁工程中，预应力混凝土空心板梁由于其自重轻、规模化预制、施工方便等诸多有利因素而被广泛使用，在许多桥梁中就普遍采用了这种结构，取得了良好的社会、经济效益。但近些年来发现部分桥梁由于空心板板内积水反复冻胀以及施工空心板预制和设计不符、空心板的初期养护不当等原因致使空心板底出现纵向裂缝，部分开裂严重区域混凝土脱落、渗水、泛白。本文结合工程实例来对先张法预应力混凝土空心板纵向裂缝的产生原因进行分析以及对预应力混凝土空心板板底纵向裂缝采取的处治方法进行总结，作为日后解决类似问题的借鉴。

　　2、工程概况

　　汶河特大桥位于S26泰莱高速莱芜市西郊汶河上，中心桩号K43+050，该桥是一座54×20m先张法预应力混凝土空心板梁桥,桥梁全长1084.06m,桥面宽度23m。空心板梁长1996cm，宽99cm，高85cm，空心板截面(见图1),采用C50号混凝土及Ⅱ级钢筋。桥面汽车荷载为汽-超20级，挂-120。

　　桥梁特殊检查发现该桥共有约70块空心板底出现开裂现象，约占全桥空心板总数6%，其中桥梁边板开裂较多。裂缝产生于空心板的中部，有从支点一直延伸至跨中，直至另一支点即纵向贯通开裂。也有部分空心板裂缝并不连续，仅在局部开裂，而且跨中部位纵向开裂多，支点附近开裂少;也有的空心板开裂严重，部分区域发生纵向裂缝发生分叉，开裂两侧混凝土存在高差，开裂深度达7cm，将混凝土切割破碎，混凝土碎块掉落，露出预应力钢绞线，开裂处渗水、泛白。多数裂缝宽度在0.12-0.30mm左右，部分较严重的裂缝宽度达2.0mm，部分裂缝宽度已大大超过《公路桥涵养护规范》(JTGH11—2004)对预应力构件纵向裂缝宽度的规定值(0.2mm)。

　　发生纵裂的位置都在空心板纵向中轴线位置或在中轴线附近，裂缝深度均已发展到预应力钢绞线的位置，甚至有的裂缝已贯通底板(深度达到13cm以上)，发生漏水、泛白严重情况的典型

　　3、原因分析及防治

　　3.1空心板底纵向开裂原因分析

　　预应力空心板板底存在纵向裂缝会对梁体的整体性和刚度都会产生影响，裂缝的存在也会使混凝土受到损害，并且在混凝土开裂严重区域使钢筋暴露在空气中，增加了钢筋被腐蚀的机率，从而会降低构件的使用寿命，通过实验空心板钢筋锈蚀及表面砼碳化情况轻微。纵向裂缝的发生必然与结构本身的特性存在联系，下面从结构设计和施工两方面的原因进行分析。

　　3.1.1空心板结构设计情况

　　本桥空心板的设计荷载等级标准为汽-超20级，挂-120。钢绞线采用φ15.24钢绞线，非预应力筋采用Ⅱ级钢筋。20m预应力空心板横截面空心板宽为99cm，板高85cm，空心板砼标号为C50。

　　桥梁检测部门为了搞清楚空心板底纵向开裂的原因，对开裂较严重的板进行破坏性尺寸检验，通过钢卷尺的现场量取，经过同设计资料比对，空心板外形尺寸同设计相符，腹板尺寸厚度同设计相符，但顶底板尺寸同设计相差较大，比设计值小2.7cm(原设计顶板厚9cm,底板厚14 cm)，具体见下图3所示：

　　图3解剖后实际量取尺寸

　　经过现场解剖验证20米空心板预应力钢绞线共计14根，同设计相符，空心板顶面、腹板等位置普通钢筋数量同设计相符，也没有锈蚀的现象，但该空心板预应力钢筋净保护层5.1cm,设计文件中的预应力钢筋净保护层应为3.74cm，所以空心板预应力钢筋位置同设计不符。

　　综上所述通过全面解剖空心板，总结实际截面尺寸和设计截面尺寸差异见下表：

　　序号名称设计值测量值

　　1空心板顶板厚度9cm6.3cm

　　2空心板底板厚度14cm13.5cm

　　3空心板腹板厚度11cm11cm

　　4预应力根数14根14根

　　5预应力净保护层3.7cm5.1cm

　　6普通钢筋数量相同

　　由本桥空心板横断面尺寸可以看出，由于预制空心板时可能芯模固定不牢，混凝土振捣时因挤压力的作用使芯模上浮，造成空心板顶板厚度不足， 致使顶板较薄，一般为7～8cm，而下底板相对较厚，一般为14～15cm，因此当空心板内由于桥面积水通过桥面纵、横向裂缝渗入到空心板顶，然后通过板端封头或板顶裂缝或板顶空洞(上次中修凿除原先整体化砼板顶被打穿，检测中发现很多板顶出现空洞)进入到空心板内，使空心板内存水，经过反复冻融，当内外温差差别大时,底板中轴线处因横向拉应力过大导致纵向裂缝出现，现场检测时空心板内积水排放见图4，该一块板内共排出积水约3立方米。

　　水柱

　　图4 板内积水排放

　　3.1.2空心板的施工情况

　　根据了解，本桥预制空心板大部分是在夏季进行，在夏季混凝土浇注施工时，添加外加剂的高标号混凝土的坍落度损失较快，导致空心板的底板混凝土不密实，导致空心板混凝土质量离散性很大。另外由于施工的误差底板的厚度可能比上设计值小，从局部受力分析，它确实降低了底板的抗裂能力。空心板纵向开裂，与施加预应力的大小也有关系。夏季预应力束张拉时，钢绞线在暴晒下温度可达60℃左右，但是混凝土浇注时，按照施工规范要求温度不能过高，在温度差的作用下，钢绞线收缩产生超过设计值的张拉力，致使空心板预拱度增加，空心板受力也增大，易于发生开裂。

　　由于该桥建造时由于空心板数量多(全桥共1188块空心板)，因此预制空心板时跨越冬季进行预制，即有一部分空心板是在冬季进行预制。在冬季施工过程中，因为外界温度较低，而空心板梁混凝土中由于水化热的原因产生很大的热量。而在养护过程中，当油布掀开后，混凝土表面遇冷将发生急剧收缩，而内部混凝土因水化热尚未完全消失而发生较大的内外温差，从而形成一种内胀外缩的现象，导致混凝土表面产生裂缝。梁体顶板与底板收缩不一致导致板底出现纵向开裂。

　　另外空心板梁在预制板厂养护时，当油布掀开后，上顶板的冷却将快于下底板、收缩也将大于、快于下底板，而此时埋设于空心板底部的钢铰线尚未剪索，梁体预应力尚未得到，再加上上顶板布筋少，抵不住这种大的拉应力，从而导致了顶部裂缝的产生。

　　检查发现板底出现纵向裂缝，另外一个原因是板内预应力引起次应力，通过观察发现原空心板预应力钢绞线回缩量较大，并且14根钢绞线回缩量差别较大，其中两根明显缩进板内，造成板内出现次应力，引起空心板底出现纵向裂缝。

　　另外施工过程中，由于先张法预应力束放张时，钢束的回缩会给混凝土施加强大的预应力，在横向可产生劈裂横向拉应力。如果预应力放张过早，混凝土强度尚低，会产生纵向开裂的微小裂缝。预应力放张过快，梁体内部应变无法很快达到平衡，发生应变滞后，也会导致横向拉应力超限而开裂。另一方面如果施工未按照规范要求对称均衡地放张，也会在截面横向产生弯矩，应力迭加超过限值后发生开裂。

　　本桥边板开裂的较多，约占全桥开裂空心板的半数以上，分析原因是边板截面不对称，放张后截面上横向弯距比中板截面大，而尺寸与中板相近，加上防撞护栏浇筑温度同边板预制时差别较大，造成收缩不同步，所以边板是薄弱环节，纵向开裂就比中板多些。

　　3.1.3综合分析，空心板产生纵裂的主要原因首先是由于部分空心板在冬季预制施工时，砼强度达不到放张要求，板内存在次应力，加上雨水通过铺装纵横向裂缝渗透到板顶，沿板顶裂缝或者板顶空洞(上次大修换铺装打穿了很多板顶)，渗透到板内，导致板内积水，经过反复冻融，使空心板发生较大的内外温差，从而形成一种内胀外缩的现象，加上板内外温差较大引起产生纵裂。

　　3.2空心板底纵向开裂防治

　　对于已经出现的裂缝，鉴于对空心板的整体受力性能影响不大，应视其严重程度进行适当的处理，主要目的是封闭裂缝，减少构件受侵蚀的机会，消除裂缝对空心板使用寿命的影响。

　　对于板底出现纵向裂缝，但未超过规范规定的限值，建议对板底顺桥向采用碳纤维布进行加固。混凝土开裂、碎裂严重的，采取换板处理以消除安全后患。

　　4、结论

　　由以上情况可以看出，预应力空心板底出现纵向裂缝的原因有设计和施工两个方面。

　　为避免预应力空心板的结构产生纵向裂缝，首先应优化设计。在设计时应充分考虑温度应力的影响，为避免横向应力引起的纵向裂缝可在设计时适当加强横向普通钢筋的配置，虽然结构的设计通过常规的受力验算，能够满足规范要求，但仍需要增加结构应对施工偏差的容错性，减少发生质量问题的机率。

　　在施工方面，应改进混泥土施工工艺，保证混凝土的浇注质量。避免在冬季施工桥梁关键承重构件，在气温较低的季节施工附属构件，混凝土浇筑后应立即采取保温措施。在空心板养护阶段必须严格按规范养生，放张应采取龄期和砼强度双控的原则。进行维修加固凿除原桥面铺装时严禁损坏空心板顶板。

　　参考文献：

　　[1] JTJD60-2004公路桥涵设计通用规范[S].

　　[2] JTGH11-2004公路桥涵养护规范[S].

　　[3] JTJ041-2000公路桥涵施工技术规范[S].

　　[4] 杨福源.先张法预应力钢绞线空心板几种质量通病的探讨.北京：人民交通出版社，2OO1.

　　[5] 王 芳,陈建瑞,安 静.先张法预应力砼空心板梁预制质量控制(J). 交通世界，2007(10).