先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板縱向裂縫的成因及危害

先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板縱向裂縫的成因及危害

在最近開通的高速公路上，中小型橋梁的上部結(jié)構(gòu)通常采用先張法制備混凝土空心板梁。集中工廠化預(yù)制的先張法構(gòu)件非常適合于運(yùn)輸條件好的平原地區(qū)的高速公路建設(shè)。由于構(gòu)件大批量生產(chǎn),降低了預(yù)制成本,并且便于質(zhì)量控制,也利于縮短工期,減少施工占地。因此,先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的應(yīng)用,給這條高速公路的建設(shè)帶來(lái)了很大的便利。但是,在橋梁完工后,在部分空心板的底板中部發(fā)現(xiàn)有縱向裂縫。眾所周知,空心板的主要受力方向是縱橋向。在施工和使用過(guò)程中,由于預(yù)應(yīng)力及外荷載的作用,空心板會(huì)產(chǎn)生縱橋向的彎矩等內(nèi)力,如果產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度,就會(huì)發(fā)生板頂或者板底的橫向裂縫。而縱向裂縫的產(chǎn)生,就有些不常規(guī),讓人不知所措:首先,它產(chǎn)生的原因不明;其次,縱向裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的危害及影響有多大還不得而知。下面,僅對(duì)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板縱向裂縫的產(chǎn)生原因及危害,進(jìn)行分析和探討。1空心板縱向裂縫發(fā)生縱向裂縫的板梁為跨徑13m、16m的簡(jiǎn)支及簡(jiǎn)支變連續(xù)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。開裂現(xiàn)象僅發(fā)生在部分空心板,并且邊板開裂較多。裂縫產(chǎn)生于空心板底板的中部,多數(shù)裂縫貫穿了空心板全長(zhǎng),從支點(diǎn)一直延伸至跨中,直至另一支點(diǎn)。但是也有部分空心板裂縫并不連續(xù),僅在局部開裂,而且跨中縱向開裂多,支點(diǎn)附近開裂少;也有的空心板發(fā)生多道縱向裂縫,相互交織。有的甚至將混凝土切割破碎,混凝土碎塊掉落,露出預(yù)應(yīng)力鋼絞線。多數(shù)裂縫寬度在0.12~0.30mm左右,部分較嚴(yán)重的裂縫寬度達(dá)1.3mm,大多數(shù)的裂縫寬度已經(jīng)超過(guò)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTGH11-2004)對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件縱向裂縫寬度的規(guī)定值(0.2mm)。裂縫深度均已發(fā)展到預(yù)應(yīng)力筋位置,部分裂縫深度已經(jīng)貫通底板,發(fā)生漏水等情況。通過(guò)檢測(cè)證實(shí),縱向開裂的梁其承載能力仍能夠滿足設(shè)計(jì)要求,但是個(gè)別裂縫較嚴(yán)重的梁的撓度、應(yīng)力值的校驗(yàn)系數(shù)呈離散情況。這說(shuō)明縱向裂縫對(duì)大梁的縱橋向承載能力影響不大,但較嚴(yán)重的裂縫會(huì)對(duì)梁體的整體性和剛度產(chǎn)生影響。裂縫的存在也會(huì)使混凝土受到損害,并且使鋼筋暴露在環(huán)境中,增加鋼筋受腐蝕的機(jī)率,從而會(huì)降低構(gòu)件的使用壽命。設(shè)計(jì)單位對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了裂縫寬度、承載力等的常規(guī)驗(yàn)算,結(jié)果表明空心板的承載能力滿足規(guī)范要求。從施工、監(jiān)理資料來(lái)看,空心板的預(yù)制、存放、安裝施工過(guò)程并無(wú)明顯的違反施工規(guī)范的過(guò)錯(cuò)。同時(shí),經(jīng)調(diào)查也發(fā)現(xiàn),全線多數(shù)標(biāo)段存在類似情況。并且也聽(tīng)說(shuō)其他項(xiàng)目和其他省的一些項(xiàng)目中也有類似結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向裂縫。這說(shuō)明這種先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的縱向裂縫是一種較為普遍的現(xiàn)象?？v向裂縫的發(fā)生必然與這種結(jié)構(gòu)本身的特性存在聯(lián)系,下面從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工兩方面分析裂縫發(fā)生的原因。2空心板橫截面該類型空心板的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為汽車—超20級(jí)。鋼絞線采用ASTMA416-90a標(biāo)準(zhǔn)270級(jí)低松弛鋼絞線。13m空心板橫截面尺寸為:空心板寬度為1m,高55cm,中心挖空部分截面為35cm高的扁圓。16m空心板橫截面尺寸為:空心板寬度為1m,高70cm,中心挖空截面為直徑50cm的圓?？招陌宓捻敯搴穸葹?0cm,底板厚度也是10cm?；炷翗?biāo)號(hào)為C50。據(jù)了解,本設(shè)計(jì)是在某設(shè)計(jì)單位的舊有通用圖的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)而成的。為了防止芯模上浮及施工誤差導(dǎo)致頂板過(guò)薄,將其厚度由原來(lái)的8cm調(diào)至10cm,但是橫截面外輪廓尺寸基本沒(méi)有改變,因此,底板厚度由原來(lái)的12cm減小為10cm。與原設(shè)計(jì)相比,另一顯著變化是為了保證空心板通過(guò)截面驗(yàn)算或增加安全儲(chǔ)備的目的,把空心板的混凝土標(biāo)號(hào)提高了。3空心板混凝土施工質(zhì)量缺陷根據(jù)了解,發(fā)生開裂的空心板的預(yù)制施工及存放、吊裝過(guò)程,均依照規(guī)范要求進(jìn)行,并無(wú)特殊之處,只是出梁時(shí)間多為夏季,在預(yù)制施工中,有兩件事值得關(guān)注。一是空心板底板混凝土的施工質(zhì)量偏差。經(jīng)檢測(cè),雖然空心板混凝土質(zhì)量合格,沒(méi)有明顯的澆注施工質(zhì)量缺陷,但是部分梁底板的混凝土看起來(lái)沒(méi)有其他橋梁上的底板平整光潔,似乎由振搗不充分所致。經(jīng)了解,由于采用C50混凝土,為了增加和易性,加快工期,添加了引氣劑、早強(qiáng)劑等添加劑。施工季節(jié)為夏季,施工中發(fā)現(xiàn)混凝土的坍落度損失很快。二是夏季預(yù)制空心板的預(yù)拱度明顯比其他季節(jié)預(yù)制的板要高。以16m板為例,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理提供的情況,高溫時(shí)期的梁放張后預(yù)拱度達(dá)到3cm左右,遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)提供的預(yù)拱度。而秋季預(yù)制的梁預(yù)應(yīng)力束放張后,預(yù)拱度約1cm,但是查看預(yù)應(yīng)力束張拉等施工記錄,并無(wú)其他明顯差別。4空心板縱向開裂由以上情況可以看出,空心板縱向裂縫的發(fā)生有設(shè)計(jì)和施工兩方面的原因。多個(gè)工地,不同施工單位預(yù)制的空心板出現(xiàn)同樣的問(wèn)題,這說(shuō)明設(shè)計(jì)存在缺陷;同時(shí),僅僅部分空心板開裂,并且發(fā)生裂縫的情況有的較輕,有的對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)造成明顯影響,這說(shuō)明施工質(zhì)量存在較大的離散性,與施工控制不嚴(yán)有關(guān)。采用C50混凝土,當(dāng)然能夠提高空心板的承載能力和安全儲(chǔ)備,但是卻給混凝土澆注施工帶來(lái)困難。在夏季混凝土澆注施工時(shí),添加了各種外加劑的高標(biāo)號(hào)混凝土的坍落度損失較快,導(dǎo)致空心板的底板混凝土不密實(shí),導(dǎo)致空心板混凝土施工質(zhì)量離散性大。減小底板的厚度,對(duì)空心板梁的整體承載能力并不降低。但是,從局部受力分析,它確實(shí)降低了底板的抗裂能力?？招陌蹇v向開裂,與施加預(yù)應(yīng)力的大小也有關(guān)系。夏季預(yù)應(yīng)力束張拉時(shí),鋼絞線在暴曬下溫度可達(dá)60℃左右,但混凝土澆注時(shí),按照施工規(guī)范要求溫度不能過(guò)高,在溫度差的作用下,鋼絞線收縮產(chǎn)生超過(guò)設(shè)計(jì)值的張拉力,致使空心板預(yù)拱度增加,空心板底板受力也增大,易于發(fā)生開裂。另外施工過(guò)程中,由于先張法預(yù)應(yīng)力束放張時(shí),鋼束的回縮會(huì)給混凝土施加強(qiáng)大的預(yù)壓力,在橫向可產(chǎn)生劈裂橫向拉應(yīng)力。如果預(yù)應(yīng)力放張過(guò)早,混凝土強(qiáng)度尚低,會(huì)產(chǎn)生縱向開裂。另外預(yù)應(yīng)力放張過(guò)快,梁體內(nèi)部應(yīng)變無(wú)法很快地達(dá)到平衡,發(fā)生應(yīng)變滯后,也會(huì)導(dǎo)致橫向拉應(yīng)力超限而開裂。另一方面,如果施工未按照規(guī)范要求對(duì)稱均衡地放張,也會(huì)在截面橫向產(chǎn)生彎矩,應(yīng)力迭加超過(guò)限值后發(fā)生開裂。至于邊板開裂較多,是因?yàn)檫叞褰孛娌粚?duì)稱,放張后截面上橫向彎矩比中板截面大,而尺寸與中板相近,所以邊板是薄弱環(huán)節(jié),縱向開裂就會(huì)較多。5規(guī)范混凝土施工為避免此類型空心板的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,首先應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。雖然結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通過(guò)常規(guī)的受力驗(yàn)算,能夠滿足規(guī)范要求,但仍需要增加結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)施工偏差的容錯(cuò)性,減少發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題的機(jī)率。在施工方面,應(yīng)改進(jìn)混凝土施工工藝,保證混凝土的澆注質(zhì)量。并且規(guī)范預(yù)應(yīng)力放張工序的施工操作,嚴(yán)格按照規(guī)范要求,在混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后,對(duì)稱、均衡、緩慢地放張,避免產(chǎn)生過(guò)大的橫向拉應(yīng)力,減少裂縫的發(fā)生機(jī)率。對(duì)于已