浅析桥梁工程结构裂缝问题和加固改造技术

李国胜

摘 要:本文主要以钢筋混凝土结构的裂缝分析为基础,分析了裂缝产生原因及机理,指出裂缝处理作为市政桥梁加固增强技术的重要性,并且针对性的介绍市政桥梁的加固技术处理。

关键词:桥梁工程 结构裂缝 加固改造技术

1 线性裂缝计算理论

混凝土是一种耐久性很好的材料,但是其抗拉强度较低易拉裂。钢筋混凝土结构一旦出现裂缝,将显著减小构件的刚度,导致结构的变形增大;裂缝宽度过宽,则由于水汽和有害气体的侵入,将导致钢筋锈蚀,从而大大降低了钢筋混凝土结构的使用年限。我国旧桥数量众多,许多市政桥梁在营运过程中出现了裂缝,因此,如何较为精确地计算出市政桥梁在荷载作用下地的裂缝宽度及如何对其进行控制就显得十分的重要。

这一经典裂缝理论由英国的Saligar 于1936 年提出,这个理论认为:钢筋应力是通过钢筋与混凝土之间的粘结应力传递给混凝土的,裂缝控制主要取决于钢筋何混凝土之间的粘结性能,由于钢筋和混凝土之间产生相对滑移,变形不再一致而导致裂缝开展。基于粘结滑移理论,各国学者对于裂缝的计算都做了大量地研究, 也有不少比较适用地成果, 如Hognestad 公式与Tossios 公式等等。由发展的粘结滑移理论可得到如下裂缝宽度的计算公式:

式中:δ max 为最大裂缝宽度;

acr 为构件受力特征系数;

ρ t e 为案截面的“有效受拉混凝土面积”计算的纵向受拉钢筋配筋率:

f 为裂缝纵向受拉钢筋应变不均匀系数;

ν为纵向受拉钢筋表面特征系数;

d 为钢筋直径;

c 为最外一排受拉钢筋的保护层厚度;

δss为按荷载短期效应组合计算的纵向受拉钢筋应力。

2 市政桥梁结构裂缝常见原因分析

2.1 非受力裂缝的分析

市政桥梁结构中混凝土的非受力裂缝与混凝土自身的性质是有着密切的关系的。混凝土是由水泥、掺和料、外加剂于与配制的胶结材浆体将分散的砂、石经搅拌粘结在一起的工程材料, 硬结的混凝土含固相、液相, 气相, 是多元、多相、非匀质水泥基复合材料水泥与水反应后的水化物要比原占体积有所缩减,缩减量约相当于化合水量的1/4,拌和物中石子吸水也使水泥石体积收缩,虽不至于影响混凝土的外观尺寸,但在骨料约束下可引发微小裂缝和增大孔隙率。微裂的原因可按混凝土的构造理论加以解释,即视混凝土为非均质材料( 如骨料、水泥石、气体、水分等),在温度、湿度变化条等条件下, 混凝土逐步硬化,同时产生体积变形,这种变形是不均匀的,水泥石收缩较大,骨料收缩很小,水泥石的热膨胀系数大,骨料较小,它们之间的变形不是自由的而产生相互约束应力。在构造理论中一种极为简单的计算模型,是假定圆形骨料不变形,且均匀地分布于均质弹性水泥石中,当水泥石产生收缩的引起内应力,这种应力而引起粘着微裂和水泥石微裂。混凝土又是弹性模量较高而抗拉强度较低的材料,在受约束条件下只要发生少许收缩,产生的拉应力往往会大于该凝期混凝土的抗拉强度,导致混凝土发生裂缝。混凝土在浇筑成型后, 混凝土骨料对浆体收缩的约束,使混凝土内部从一开始就产生了微裂缝, 在环境温度、湿度、荷载等因素作用下, 这些混凝土就可发展为肉眼可见的宏观裂缝。

2.2 受力裂缝的分析

(1)荷载引起的裂缝

混凝土市政桥梁在静、动荷载及次应力作用下产生的裂缝称为荷载裂缝。裂缝的形状与结构应力分布有着直接的关系。构中应力值的大小是导致裂缝发展的内在因素,归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。

(2)地基变形引起的裂缝

由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移,使结构中产生附加应力,超出混凝土结构的抗拉能力,导致结构开裂。

3 工程实例

3.1 工程概况

某市某交叉口高架桥孔径布置为: 第一联、第三联均为3 × 30 等截面预应力钢筋混凝土连续箱梁,单箱双室,梁高1.60m,底板宽度4.5 米,腹板厚0.45m;第二联30+40+30 预应力变截面混凝土连续箱梁,单箱双室,腹板厚从0.5-0.7m,梁高从1.60-2.50m;桥面宽度16.5m,设计车道为4 车道;该桥设计荷载为城-A 级。箱梁混凝土设计强度为 C50。在预应力混凝土连续箱梁桥面中出现了宽而长的裂缝,市政桥梁使用管理部门担心该桥的安全使用性能,要求对该桥的结构性能进行检测并预测裂缝的发展趋势。

3.2 裂缝普查

在汽车荷载试验之前,对该预应力混凝土连续箱梁桥的桥跨结构进行了认真的裂缝普查。普查发现该桥左右半幅(左幅靠东侧,右幅靠西侧)桥面已存在数条肉眼可见的裂缝,同时裂缝宽度较大。

在左半幅桥面上,两处纵向裂缝位于距桥边防撞墙2.3 米处,即腹板内,最大裂缝宽度分别为0.40、1.29mm;长分别为15m(第一联边跨跨中区域)和 10m(第一联中跨跨中区域);在右半幅桥面上,一处纵向裂缝位于距桥边防撞墙2.0m 处,即翼缘板端部,最大裂缝宽度分别为0.67、0.84mm,长分为 7.6m(第三联边跨跨中区域);该半幅桥面存在一处横向裂缝(第二联中跨距第一内支座 1/3L 处),该处裂缝长0.21m,宽1.10mm。

在各工况汽车荷载作用下,左右半幅桥面上各处纵横向裂缝的最大宽度基本没有变化,纵横向裂缝较稳定,观测到的最大裂缝宽度基本没有明显的发展。但是,由于结构的部分裂缝宽度超过规范的限定值,建议在市政桥梁的今后使用中应注意裂缝的定期监测。

3.3 裂缝宽度验算

钢筋混凝土构件的裂缝宽度的计算方法有两种,一类是力学模型为基础的半理论半经验计算法,另一类是以数理统计分析为基础的经验计算法。而在每类计算法中所依据的裂缝机理又不一致,以及对影响裂缝开展宽度主要因素取舍上的差异,因此,迄今为止提出的裂缝宽度计算公式是多种多样的。其中,国内外以往的各种规范和个别部门的现行规范中所采用的半理论半经验的计算公式多是分别建立在粘结滑动理论、粘结无滑动理论、粘结理论、粘结和曲率理论基础上提出来的,而目前各种规范中使用较多的是以统计分析为基础的经验公式。1968 年Gorgely 和 lutz 根据一些实测的裂缝资料进行数理统计分析,对影响裂缝开展宽度的主要因素采取多种组合方式,经实际验证后进行优选,提出以数理统计为基础,有一定保证率且便于计算的裂缝宽度计算公式,并且在1971 年被纳入美国ACI规范;1975年前苏联放弃了长期采用的以粘结滑动理论建立起来的计算公式,采用以数理统计分析为基础的适用于各种构件的钢筋重心处最大裂缝宽度计算公式;1980年我国赵国藩等人利用国内试件实测数据进行数理统计分析,提出了适用于矩形、T 形、倒T 形和工字形截面的各种受力构件的最大裂缝宽度计算公式,依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算,钢筋混凝土构件在正常使用极限状态下的裂缝宽度,应按作用(或荷载)短期效应组合并考虑效应影响进行验算,在I 类和 II 类环境下最大裂缝宽度不应超过0.20mm。

3.4 市政桥梁裂缝的原因解析

( 1) 拆模过早、混凝土龄期短、施工荷载大施工中在混凝土未达到规定强度,过早拆模,或者在混凝土未达到规定强度就上荷载等因素都可直接造成混凝土楼板的弹性变形,致使混凝土在早期强度低或无强度时承受应力,导致桥面板开裂。

桥面板上层钢筋位置未得到有效保护,下移严重.

钢筋对于结构的抗裂性能的影响主要是混凝土材料结构是非均质的, 承受拉力作用时,截面中各质点受力是不均匀的,有大量不规则的应力集中点,这些点由于应力首先达到抗拉强度极限,引起了局部塑性变形,如无钢筋,继续受力,便在应力集中处出现裂缝。如进行适当配筋,钢筋将约束混凝土的变形,从而分担混凝土的内应力,推迟混凝土裂缝的出现, 亦即提高了混凝土的极限拉伸能力。

(3)添加早强剂和使用泵送混凝土

添加早强剂和使用泵送混凝土也是产生裂缝的一个原因,由于添加早强剂虽然可以缩短工期,但混凝土的抗拉强度并没有得到很大提高;而泵送混凝土由于泵送的限制,混凝土配合比较小,混凝土粒径也较小,而浇捣的市政桥梁体积较大, 容易引起裂缝的产生。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。