公路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁裂縫的檢測評估和加固
2015-06-01
1概述
目前，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工中往往會(huì)產(chǎn)生裂縫，從而無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在國內(nèi)外建成的預(yù)應(yīng)力橋上都存在這個(gè)問題。因此國內(nèi)外都在針對這一問題進(jìn)行研究，希望得到有效的解決方法。往往裂縫的處理方法和范圍決定于裂縫的性質(zhì)及其對橋梁工作狀況和承載能力的影響程度，因此裂縫的成因分析及其對結(jié)構(gòu)影響程度分析對裂縫的處理決策起著至關(guān)重要的作用。這些工作必須建立在對橋梁的設(shè)計(jì)和施工資料進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，對橋梁狀況進(jìn)行檢查、檢測、荷載試驗(yàn)、計(jì)算分析及綜合評估的基礎(chǔ)上。只有判斷出裂縫出現(xiàn)的可能原因，掌握裂縫對橋梁工作狀況和承載能力的影響，才能對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的裂縫進(jìn)行正確定量評價(jià)，制定合適的處理方案。首先對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁通常的裂縫形態(tài)、性質(zhì)及成因作了定性闡述；分析了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的力學(xué)特征；并列舉了幾座公路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁裂縫
的檢測、評估和加固處理事例分析；最后對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁裂縫的處理方法進(jìn)行了討論，并提出建議。
2預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的通常裂縫
2. 1混凝土強(qiáng)度形成過程中的裂縫
混凝土澆筑之后，強(qiáng)度的形成需要一定的時(shí)間，強(qiáng)度的發(fā)展取決于周圍環(huán)境(氣溫、空氣濕度、晝夜溫差和風(fēng)等)和混凝土的水化熱。此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，容易出現(xiàn)收縮、溫度和沉降裂縫。
(1)收縮裂縫。
混凝土在形成強(qiáng)度過程中，水和水泥顆粒結(jié)合，使體積減小稱為凝縮；一部分水分蒸發(fā)，使體積減小稱為干縮?；炷猎谛纬蓮?qiáng)度過程中表面的水蒸發(fā)干燥逐步擴(kuò)展到內(nèi)部，在混凝土內(nèi)形成含水梯度，表面收縮大，而內(nèi)部收縮小，出現(xiàn)內(nèi)外收縮差，混凝土表面外部受拉應(yīng)力，而內(nèi)部受壓應(yīng)力，當(dāng)表面混凝土的拉應(yīng)力超過混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫。干燥環(huán)境、養(yǎng)生不及時(shí)、混凝土水灰比
過大等容易引起收縮裂縫。
(2)溫度裂縫。
混凝土在強(qiáng)度形成過程中產(chǎn)生水化熱、陽光照射、大氣及周圍溫度的變化，將引起溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生溫度裂縫。常見的混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫有以下幾種。
①大體積混凝土(厚度超過2 m的橋梁墩臺、承臺及錨碇等)，水化熱使內(nèi)部溫度升高，散熱措施不當(dāng)，內(nèi)、外溫差大而引起的裂縫。②冬季施工及蒸養(yǎng)措施不當(dāng)，使混凝土冷熱、內(nèi)外溫差不均引起的裂縫。
?、蹣?gòu)件較長而兩端約束，由于周圍環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力引起的裂縫。④新舊混凝土接縫處，由于新混凝土的水化熱與舊混凝
土之間的溫度差及收縮差產(chǎn)生的沿接縫面中部的垂直裂縫。
2. 2后續(xù)施工和使用階段
(1)彎曲裂縫。
一般是垂直裂縫，是混凝土構(gòu)件受彎矩作用產(chǎn)生的裂縫，一般出現(xiàn)在彎矩最大截面。對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力度過大和過小都會(huì)出現(xiàn)彎曲裂縫，對于一期恒載較小的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，張拉程序掌握不好時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力度過大使結(jié)構(gòu)反彎開裂，這種現(xiàn)象常常出現(xiàn)在橫梁和帽梁上；對于預(yù)應(yīng)力損失較大的或超載嚴(yán)重的橋梁結(jié)構(gòu)，會(huì)出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力度不足產(chǎn)生的彎曲裂縫。
(2)剪切裂縫和彎剪裂縫。
剪切裂縫首先發(fā)生在剪應(yīng)力最大的部位，一般在支點(diǎn)附近，由主拉應(yīng)力引起的沿中性軸與水平方向呈25°~45°開裂。彎剪裂縫一般在1/8~1/4跨處，也是由主拉應(yīng)力引起，與與水平方向呈30°~60°夾角。
(3)扭曲裂縫。
混凝土構(gòu)件受扭轉(zhuǎn)與彎曲共同作用而產(chǎn)生的裂縫，此類裂縫一般呈45°傾斜，有多條。裂縫出現(xiàn)后混凝土保護(hù)層剝落。
(4)局部應(yīng)力裂縫。
由局部應(yīng)力引起的裂縫，主要出現(xiàn)在支座、錨頭等受局部應(yīng)力較大的部位或受突然撞擊的部位。
(5)溫度裂縫。
橋梁在使用期間的溫度裂縫主要由于實(shí)際溫度場產(chǎn)生的溫度應(yīng)力比設(shè)計(jì)計(jì)算大產(chǎn)生的。在溫差大的地區(qū)，這類情況比較嚴(yán)重。
3預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的力學(xué)成因及受力特征
3. 1鋼筋混凝土構(gòu)件
為便于對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的力學(xué)成因進(jìn)行分析，首先以軸心受拉構(gòu)件為例引述鋼筋混凝土開裂的基本理論。
鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件，鋼筋面積As、彈性模量Es；混凝土有效面積Ac， eff、彈性模量Ec、極限抗拉強(qiáng)度fctm。在拉力F作用下，當(dāng)混凝土的拉應(yīng)力達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，在構(gòu)件抗拉能力最弱的截面上將出現(xiàn)第一批裂縫。由于混凝土的局部變異、收縮和溫度作用產(chǎn)生的微裂縫以及受拉區(qū)混凝土的局部削弱(如箍筋處)等偶然因素的影響，第一批裂縫出現(xiàn)的位置是一種隨機(jī)現(xiàn)象。裂縫出現(xiàn)后，在開裂截面混凝土退出工作，應(yīng)力為零；鋼筋承受全部拉力，產(chǎn)生應(yīng)力突變。配筋率越低，突變引起的鋼筋應(yīng)力增量Δσs就越大。沿構(gòu)件長度上鋼筋應(yīng)力的變化Δσs，使裂縫兩側(cè)鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力τ和相對滑移s。通過粘結(jié)應(yīng)力τ將鋼筋的拉力傳給混凝土，隨距開裂截面距離的增大，由于粘結(jié)應(yīng)力τ的積累，混凝土的拉應(yīng)力σc(應(yīng)變εc)逐漸增大，鋼筋應(yīng)力σs(應(yīng)變εs)逐漸減小，直到距開裂截面為l處，鋼筋與混凝土的應(yīng)變相等(εc=εs=Ac， eff・fctm/(Es・As))。相對滑移s及粘結(jié)應(yīng)力τ消失，鋼筋與混凝土的應(yīng)力又恢復(fù)其原來的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)荷載再增大時(shí)，在其他一些抗拉強(qiáng)度較弱的截面上將出現(xiàn)新的裂縫。顯然，在距第一批開裂截面的兩側(cè)l的范圍內(nèi)，將不可能出現(xiàn)新的裂縫。
3. 2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件
對于預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件，出現(xiàn)裂縫可能性有兩種情況，第一種情況是拉力大于預(yù)加力并克服混凝土的抗拉強(qiáng)度，使得混凝土開裂，這種情況在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中屬于預(yù)應(yīng)力度不足；第二種情況是在預(yù)加力之前由于混凝土結(jié)硬過程中產(chǎn)生裂縫，張拉預(yù)應(yīng)力后由于混凝土的咬合被破壞開裂截面表觀依然呈現(xiàn)裂縫形態(tài)，這種情況下，開裂截面的混凝土抗拉強(qiáng)度被破壞，如果預(yù)加力N大于外拉力F，開裂截面仍然處于受壓狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力度滿足要求，當(dāng)外拉力F超過預(yù)加力N時(shí)，原有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，并在其它部位會(huì)出現(xiàn)新的裂縫。對于第一種情況，外拉力F大于預(yù)加力N并使得混凝土開裂后，當(dāng)F繼續(xù)增加時(shí)，開裂截面的拉應(yīng)力全部由鋼筋承受，且裂縫邊緣的應(yīng)力為零或有微小的回退。對于第二種情況，由于混凝土已開裂退出工作狀態(tài)，在外拉力F的作用下，如果F小于N，開裂截面的拉應(yīng)力還是全部由鋼筋承受，但由于開裂截面仍處于受壓狀態(tài)，裂縫邊緣仍有拉應(yīng)力；如果F大于N，開裂截面仍處于受拉狀態(tài)，裂縫邊緣應(yīng)力為0。
從這個(gè)特征可判斷出開裂截面的預(yù)應(yīng)力度是否滿足要求，推斷裂縫的成因和特性。
綜合上述分析可得出何載試驗(yàn)對裂縫性質(zhì)的判別方法：
?、偃绻穷A(yù)應(yīng)力度不夠產(chǎn)生的裂縫，那么在外荷載彎矩M作用下，跨裂縫測點(diǎn)m1和m2的應(yīng)變與M成非線性關(guān)系，裂縫邊緣測點(diǎn)m3和m5的應(yīng)變?yōu)榱慊蛴形⑿簯?yīng)變，且隨著外荷載彎矩M的增大，裂縫向上發(fā)展，中性軸也隨之上移；在其他截面有新的裂縫出現(xiàn)。②如果是預(yù)應(yīng)力張拉前產(chǎn)生的裂縫，張拉后預(yù)應(yīng)力度滿足要求，在外荷載彎矩M的作用下，由于開裂截面的混凝土退出工作，截面剛度降低，跨裂縫測點(diǎn)m1和m2的應(yīng)變比正常截面測點(diǎn)m3和m4的應(yīng)變大，
但應(yīng)變與外荷載呈線性關(guān)系，裂縫邊緣有一定的拉應(yīng)變，截面中性軸穩(wěn)定；在其他截面沒有新的裂縫出現(xiàn)。③如果由于局部損傷產(chǎn)生的裂縫，在外荷載彎矩M作用下，跨裂縫的應(yīng)變與M成非線性關(guān)系，裂縫邊緣應(yīng)變?yōu)榱慊蛴形⑿簯?yīng)變，但裂縫并不向上發(fā)展，中性軸穩(wěn)定；在其他截面沒有新的裂縫出現(xiàn)。
4總結(jié)
(1)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫并不可怕，關(guān)鍵是要正確分析裂縫成因及對結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和承載能力的影響程度，提出安全、有效、經(jīng)濟(jì)、適用的加固處理措施。
(2)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁裂縫處理一般可通過下列步驟解決：①通過調(diào)查和檢測掌握裂縫的特征，如：裂縫出現(xiàn)部位、裂縫長度及走向，裂縫寬度，裂縫深度。②綜合設(shè)計(jì)、施工資料的調(diào)查，分析裂縫產(chǎn)生的時(shí)段，判斷裂縫的性質(zhì)及產(chǎn)生的可能原因。③可通過計(jì)算或荷載試驗(yàn)確定裂縫對橋梁工作狀況和承載能力的影響。④確定處理方案。
對一個(gè)具體的橋梁，可根據(jù)實(shí)際情況和必要性確定是否進(jìn)行荷載試驗(yàn)，關(guān)鍵是要掌握裂縫的成因、性質(zhì)及對結(jié)構(gòu)工作狀況、承載能力和耐久性的影響程度，如果能夠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算有把握判別，無須進(jìn)行荷載試驗(yàn)。
(3)可從梁體跨中撓度和支點(diǎn)轉(zhuǎn)角的大小及影響線、結(jié)構(gòu)變形的協(xié)同性判斷裂縫對結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)的影響。
(4)要從開裂截面的應(yīng)變分布、實(shí)測應(yīng)變與加載彎矩關(guān)系、應(yīng)變值大小以及截面中性軸的穩(wěn)定性綜合判斷開裂截面的工作狀態(tài)和承載能力，切不可從單一參數(shù)和現(xiàn)象進(jìn)行判斷。
(5)評估應(yīng)對裂縫的影響程度和范圍盡可能做到定量化，為加固處理方案提供可靠依據(jù)。
