大跨径连续刚构桥混凝土缺陷成因分析及改进措施

大跨径连续刚构桥混凝土缺陷成因分析及改进措施

汪宝喜 

云南交发公路工程有限公司

摘要：虽然大跨径混凝土连续刚构桥具有诸多优点，但是随着此类桥梁的不断建设和使用，使用时间一长其内在的缺陷也逐渐暴露出来，导致部分桥梁处于停止运营的状态，所以需要对产生这些问题的原因进行分析，并制定合理的防治对策。本文主要以大跨径连续刚构桥为研究对象，对其常见的缺陷特征进行分析，然后依据其缺陷发生的原因提出相应的解决方案，希望能够为国内桥梁事业的发展提供帮助。

关键词：大跨径混凝土；连续刚构桥；缺陷特征；防治对策

1连续刚构桥常见缺陷分析

1.1连续刚构桥梁体裂缝分析

1.1.1箱梁底板裂缝

大跨径混凝土连续刚构桥的箱梁底板容易出现朝着预应力钢筋的方向纵向发展的裂缝，而且此类裂缝在许多连续刚构桥的上下缘部位都有出现相似结构的裂缝。若是桥梁的底板下方出现此类裂缝，通常都是由于主梁在合龙的过程中形成了预拱，而若是底板的上缘出现了裂缝，则大多是因为在桥梁全部建成投入使用的阶段由于年限过长、养护不当导致。上述举例的裂缝对于桥梁整体结构的强度功能、承载能力以及使用寿命都会产生极大的影响。下图为桥梁底板出现分层压溃的问题。

1.1.2腹板斜裂缝

在对我国桥梁的现状进行调查研究得知，连续钢结构桥梁的箱梁腹板内部时常会产生一定规模的斜状裂缝，而且此类裂缝是桥梁主体最常见的裂缝类型之一。斜状裂缝通常和桥梁主轴形成20°~60°左右的夹角，而且此类裂缝会随着时间的延长，在桥梁上缘、下缘以及跨中的位置不断延伸。此外在桥梁箱梁腹板内部生成的裂缝通常十分严重，具体表现在：①在桥梁长度的四分之一的位置，主要的拉应力会使得其生成45°斜角的裂缝；②因为锚固拉应力也会使得其出现斜状裂缝；③垂直向的正方向应力也会导致其出现水平裂缝。

1.2连续刚构桥跨中下挠分析

在跨度较大的连续刚构桥中容易经常出现跨中下挠过大的问题，阻碍桥梁稳定安全使用，产生原因如下：桥梁跨部出现塑性形变，致使下挠太大，使得桥梁整体的强度降低，其承受能力也大大削弱。若是在桥梁的使用过程中出现跨中桥梁的下挠太大的问题，就会使得桥梁的箱梁的底板生成裂缝，进一步降低桥梁整体的结构强度，从而加剧跨中下挠问题，形成恶性循环。

1.3连续刚构桥耐久性问题分析

1.3.1铺装破坏问题

桥梁的桥面若是铺设的时间过长，其长期与空气进行接触，并且需要承受汽车的碾压磨损和重量，经常会出现许多缺陷。造成其铺装受到破坏的主要原因在于：施工使用的混凝土质量不合格；施工工艺水平不高；铺设的混凝土厚度不达标；关键部位施工不当。

1.3.2桥头跳车问题

桥头跳车的问题主要是因为桥台后方填土和路基之间的的压实度不够，出现了不规则的沉降所致。桥台后方需要使用优质的透水性能较佳的填土，而且要使得每层填土的厚度都能处于合理状态。要保证上述条件全部满足，这样才能保证桥台连接处的差距不会太大。

2连续刚构桥常见缺陷改进措施

2.1连续刚构桥梁体裂缝防治措施

2.1.1桥体箱梁底板裂缝

主要措施有:①对桥梁的底板使用箍筋加固，增加长度较短的钩状钢筋；②在设计阶段就布局好桥梁箱梁底端的曲线弧度；③准确定位波纹管的位置，不可以出现过大的转角；④为了避免合龙段的两端出现高度上的差距，需要对施工的桥梁的高度进行及时的调节；⑤为了强化箱梁和底板之间的整体强度，需要在跨中的位置加设横隔板。

2.1.2腹板斜裂缝

若是混凝土发生水热化反应容易生成早期裂缝，所以，铺设混凝土的时候需要按照相关规范来进行操作，尤其是要保证预应力钢束的拉力和张力效果能够满足施工标准。此外，还需要设置弯起束和具有较高效能的垂直向预应力束。

2.2连续刚构桥跨中下挠防治措施

一般情况下，超静定结构在面对下述状况时受到的影响会较大，即：外在温度发生变化，混凝土收缩、预应力的作用以及桥墩处出现不规则沉降等。此时，会造成预应力开始重新分布，致使其内在的压力对桥梁的结构带来严重影响。对此，可以采取以下办法进行处理：因为跨中下挠经常会出现斜向的裂缝和横向裂缝，导致对结构的影响加剧，所以首先应当确保斜、正截面的强度达标；其次，需要对截面的负弯矩部位的引力分布进行合理调控；然后，在桥梁的主跨合龙位置，要对悬臂两端互相施加水平方向的压力，然后再进行合龙，这样能够有效减轻跨中部位受到的压力，同时也能够减轻跨中的下挠；最后，合理增加桥梁底板位置上安装的合龙束，并且在外部预留一定数量的用以备用的钢束，避免桥梁的地段生成横向裂缝。

3工程实例分析

3.1工程概述

某高速公路连续刚构桥为大跨径混凝土连续刚构桥,其总长为105m,该连续刚构桥的左右线采用分幅设置的方式，每幅都采用了单箱单室直腹板箱型截面。该连续刚构桥在投入使用七年之后，其桥面出现了一定程度的下挠，同时还发现在其刚构中跨跨中区域的梁体底板与腹板出现了不同程度的开裂，经过全面的检查与确认，中跨跨中底板的横向裂缝宽度大致在0.15〜0.3m的范围之内，其中部分突出的裂缝甚至达到了0.5mm,而腹板裂缝的最大缝宽为0.45mmo经过确认，该高速公路连续刚构桥的中跨跨中最大挠度约在20cm左右。待两年后再次对其进行检查，发现左幅桥一侧的墩顶箱室出现多条横向裂缝，其最大缝宽达到了0.8mm,而其他墩顶箱室均出现了一定程度的裂缝,既有横向裂缝，也有纵向裂缝，但裂缝的宽度相对较短。在这些裂缝中，已存在部分裂缝向着顶板或者腹板进行延伸的情况，经确认该桥跨中挠度较之之前又有所增加,增加幅度在3—5cm左右。针对这一情况，急需弄清连续刚构桥的缺陷原因，并据此采取针对性的加固措施。

3.2连续刚构桥的缺陷成因

经过实际勘察与讨论,同时借鉴了国内外相关资料,确定该高速公路连续刚构桥出现缺陷的原因主要包含以下几方面：（1）该桥的位置特殊，是附近大型货运车辆进城、出城的主要通道，且该路段车流量较大，达到了日行驶10万辆次，且有些货车存在着超载的情况，逬而对连续刚构桥造成不良的影响；（2）该连续刚构桥竖向预应力损失较大，主拉应力超限，导致了混凝土腹板裂缝的产生；（3）在施工阶段，存在有徐变变形的情况，且同时伴有纵向预应力损失较大的情况，经过研究与讨论，导致这一问题的主要原因是节段悬浇的作业工期相对较短,这致使结构预应力降低，最终导致了跨中下挠以及腹板开裂的缺陷。针对上述几个方面的原因，提出了加固思路：该高速公路连续刚构桥为大跨径混凝土连续刚构桥，在施工时采用悬臂现浇的方式开展作业，该桥的主要受力部位为中墩墩顶主梁负弯矩区，因此基于上述缺陷的表现与原因，加固的重心应该放在体外预应力钢束的施加上,通过这种方法可以对全桥的纵向预应力进行有效恢复。除此之外，对于裂缝相对严重的部位可采取粘贴钢板等补强措施，以此来对裂缝的进一步发展做出有效限制,进而有效提升箱梁结构的承载能力。

3.3连续刚构桥的缺陷改进策略

3.3.1包络设计

该高速公路连续刚构桥的缺陷相对严重，无法对其真实状态做出准确地检测。因此为了解决这一问题，提出了三种状态：（1）该桥的全部纵向预应力筋处于设计状态；（2）参照类似项目的设计经验，考虑全桥纵向预应力损失10%〜15%的范围；（3）中跨跨中底板预盈亏钢束应力损失50%,其余纵向预应力损失5%o

3.3.2加固技术分析

（1）体外预应力加固法。通过体外预应力的施加,会促使箱梁断面混凝土的压应力储备得到一定程度的增加，这样一来，一方面会抑制裂缝的产生与发展，另一方面也可以对结构的承载能力进行有效的提高。具体加固措施如下：一共设置26束体外束，在这26束体外束中，通长束、中跨束以及每侧的中支点短束数量分别为4束、6束、8束，所有体外束均采用两端张拉的方式予以开展。体外预应力钢束采用环氧涂层钢绞线，并在其之上添加了PE护套。对于钢绞线而言，其抗拉强度的标准值为1860MPa,对于预应力筋，则是采用分级拉张的形式开展作业，同时需要注意对每级张拉力进行一定程度的控制，要求其不得超过总张拉力的1/4。在对体外预应力筋进行转向时，需要借助转向器，而锚固则主要通过锚固块予以实现。需要说明的是，车辆通行有可能造成钢束振动过大的情况，为了避免这一现象，在原先设置的基础上还需要进一步沿着体外索设置好防振限位装置，同时注意对防振限位装置之间的距离做好控制，一般情况下控制在8m左右较为适宜叫除此之外，为了确保能够与原结构进行有效且便捷的连接，需要注意合理选择锚固与转向装置，应以混凝土结构装置为主，同时应该对其进行植筋处理，使其与原梁体结构有效连接。然而该连续刚构桥的预应力筋张拉力相对较大，因此在锚固区域会产生很大的局部应力。针对这一情况,为了保证结构的安全性与可靠性，还需要做好如下几个方面的细节处理：首先，在体外索中存在4束通长束锚固在梁端的横隔板处，在后箱梁内侧进行植筋操作，以此确保体外预应力传递的可靠性，并浇筑自密实混凝土；其次，针对顶板锚块位置局部应力相对较大的情况，为了防止锚后区混凝土发生一定程度的开裂，釆取将锚后2.5m范围之内的顶板、腹板局部加厚的措施；最后,对于中支点短束锚固位置，其受力的复杂程度较高，针对这种情况为了对锚固的可靠性进行有效增加，可以在锚固处另外增设横隔板，横隔板的厚度在1H1左右较为适宜，这样一来就可以对顶板的局部应力进行减少。（2）增大截面加固法。这一加固方法主要是通过加固构件截面与配筋的形式来实现构件强度、刚度与稳定性的增强，当构件刚度与强度得到增强之后，出现开裂的可能性将大大降低。由于设置了体外预应力钢束，刚构双薄壁墩和承台的受力有所增加，这样一来，原来结构的配筋则无法适用。针对这种情况，便可以运用增大面积加固法对中墩墩顶、墩底以及承台顶面进行有效的加固。（3）粘贴钢板加固法。对于钢筋混凝土的薄弱部位，可以采取粘结剂对钢板进行粘贴或者灌注，这样做的目的是可以使其与原结构一起共同受力，进而对其刚度进行有效的增加，促使钢筋与混凝土的应力发生改变。这样一来,已有裂缝的进一步发展与延伸则会得到有效遏制，实现了桥梁承载能力加强的效果。

3.3.3施工监控

对于该连续刚构桥的上部结构与下部结构，均采用平面杆系单元。综合考虑到桥梁的实际情况，对原结构中的相关系数做出了一定程度的调整。

针对连续刚构桥而言，采用体外加固的方式具有一定的复杂性，其难度也相对较大。由于箱梁内存在一定的缺陷与损伤，在这种情况之下其内力和应力都已经发生了一定程度的改变，在这种情况之下难以精准地把握相应结构的强度与刚度。因此本文在设计过程中，将现有的检测数据与原始设计资料进行结合，并由此来对当前状况下结构的受力状态做出一定程度的推测，而推断的准确性十分重要，它能够直接影响到后续所采用加固措施的合理性与有效性。基于该点的考虑，在实际的加固施工过程中，需要采取科学、合理且有效的监测措施，只有这样才能对结构的安全性进行保障。监控所涉及的内容较为广泛，主要包含有主梁应力监控、锚固点与转向点局部的应力监控、中墩墩顶与墩底的应力监控、张拉过程中的裂缝监控、主梁挠度监控、中墩墩顶位移监控以及支点应力监控等。在实际操作之后，发现对各个流程进行全面且有效地监测与监控之后，各个阶段在加固过程中应力与位移和设计中的计算结果基本保持一致，这也对设计计算结果的准确性作出了有效的验证。

4结束语

由上述内容可知，大跨径连续刚构桥的缺陷要素种类较多，容易造成桥梁的跨中下挠、梁段容易出现开裂问题。桥梁的质量关系到道路交通的畅通以及人们的生命安全，所以，我们必须要加大对其病症原因的研究力度，尽早解决这些问题，使其能够更加长久、稳定的运营。本文结合某具体工程，对大跨度连续刚构桥病害成因及其加固技术进行研究与分析。首先，对工程概况进行了一定的介绍，提出了某高速公路连续钢构桥出现下挠与裂缝的病害问题，并在第二次检查中病害有加重的趋势。其次，对连续刚构桥病害的具体成因进行了阐述，主要包含有车流量大造成荷载增加、竖向预应力损失较大、结构预应力度降低等。然后针对这些问题提出了相应的加固设计，运用到了体外预应力加固法、增大截面加固法与粘贴钢板加固法。

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