公路预应力混凝土桥梁裂缝的检测评估和加固
2015-06-01
1概述
目前，预应力混凝土桥梁施工中往往会产生裂缝，从而无法达到设计要求，在国内外建成的预应力桥上都存在这个问题。因此国内外都在针对这一问题进行研究，希望得到有效的解决方法。往往裂缝的处理方法和范围决定于裂缝的性质及其对桥梁工作状况和承载能力的影响程度，因此裂缝的成因分析及其对结构影响程度分析对裂缝的处理决策起着至关重要的作用。这些工作必须建立在对桥梁的设计和施工资料进行详细调查，对桥梁状况进行检查、检测、荷载试验、计算分析及综合评估的基础上。只有判断出裂缝出现的可能原因，掌握裂缝对桥梁工作状况和承载能力的影响，才能对预应力混凝土桥梁的裂缝进行正确定量评价，制定合适的处理方案。首先对预应力混凝土桥梁通常的裂缝形态、性质及成因作了定性阐述；分析了混凝土结构裂缝的力学特征；并列举了几座公路预应力混凝土桥梁裂缝
的检测、评估和加固处理事例分析；最后对预应力混凝土桥梁裂缝的处理方法进行了讨论，并提出建议。
2预应力混凝土桥梁的通常裂缝
2. 1混凝土强度形成过程中的裂缝
混凝土浇筑之后，强度的形成需要一定的时间，强度的发展取决于周围环境(气温、空气湿度、昼夜温差和风等)和混凝土的水化热。此时混凝土的抗拉强度较低，容易出现收缩、温度和沉降裂缝。
(1)收缩裂缝。
混凝土在形成强度过程中，水和水泥颗粒结合，使体积减小称为凝缩；一部分水分蒸发，使体积减小称为干缩。混凝土在形成强度过程中表面的水蒸发干燥逐步扩展到内部，在混凝土内形成含水梯度，表面收缩大，而内部收缩小，出现内外收缩差，混凝土表面外部受拉应力，而内部受压应力，当表面混凝土的拉应力超过混凝土当时的抗拉强度时，便产生收缩裂缝。干燥环境、养生不及时、混凝土水灰比
过大等容易引起收缩裂缝。
(2)温度裂缝。
混凝土在强度形成过程中产生水化热、阳光照射、大气及周围温度的变化，将引起温度应力，当温度应力超过混凝土当时的抗拉强度时，即产生温度裂缝。常见的混凝土结构温度裂缝有以下几种。
①大体积混凝土(厚度超过2 m的桥梁墩台、承台及锚碇等)，水化热使内部温度升高，散热措施不当，内、外温差大而引起的裂缝。②冬季施工及蒸养措施不当，使混凝土冷热、内外温差不均引起的裂缝。
③构件较长而两端约束，由于周围环境温度变化产生的附加温度应力引起的裂缝。④新旧混凝土接缝处，由于新混凝土的水化热与旧混凝
土之间的温度差及收缩差产生的沿接缝面中部的垂直裂缝。
2. 2后续施工和使用阶段
(1)弯曲裂缝。
一般是垂直裂缝，是混凝土构件受弯矩作用产生的裂缝，一般出现在弯矩最大截面。对预应力混凝土结构，预应力度过大和过小都会出现弯曲裂缝，对于一期恒载较小的预应力混凝土结构，张拉程序掌握不好时，往往会产生预应力度过大使结构反弯开裂，这种现象常常出现在横梁和帽梁上；对于预应力损失较大的或超载严重的桥梁结构，会出现预应力度不足产生的弯曲裂缝。
(2)剪切裂缝和弯剪裂缝。
剪切裂缝首先发生在剪应力最大的部位，一般在支点附近，由主拉应力引起的沿中性轴与水平方向呈25°~45°开裂。弯剪裂缝一般在1/8~1/4跨处，也是由主拉应力引起，与与水平方向呈30°~60°夹角。
(3)扭曲裂缝。
混凝土构件受扭转与弯曲共同作用而产生的裂缝，此类裂缝一般呈45°倾斜，有多条。裂缝出现后混凝土保护层剥落。
(4)局部应力裂缝。
由局部应力引起的裂缝，主要出现在支座、锚头等受局部应力较大的部位或受突然撞击的部位。
(5)温度裂缝。
桥梁在使用期间的温度裂缝主要由于实际温度场产生的温度应力比设计计算大产生的。在温差大的地区，这类情况比较严重。
3预应力混凝土结构裂缝的力学成因及受力特征
3. 1钢筋混凝土构件
为便于对预应力混凝土结构裂缝的力学成因进行分析，首先以轴心受拉构件为例引述钢筋混凝土开裂的基本理论。
钢筋混凝土轴心受拉构件，钢筋面积As、弹性模量Es；混凝土有效面积Ac， eff、弹性模量Ec、极限抗拉强度fctm。在拉力F作用下，当混凝土的拉应力达到其极限抗拉强度时，在构件抗拉能力最弱的截面上将出现第一批裂缝。由于混凝土的局部变异、收缩和温度作用产生的微裂缝以及受拉区混凝土的局部削弱(如箍筋处)等偶然因素的影响，第一批裂缝出现的位置是一种随机现象。裂缝出现后，在开裂截面混凝土退出工作，应力为零；钢筋承受全部拉力，产生应力突变。配筋率越低，突变引起的钢筋应力增量Δσs就越大。沿构件长度上钢筋应力的变化Δσs，使裂缝两侧钢筋与混凝土之间产生粘结应力τ和相对滑移s。通过粘结应力τ将钢筋的拉力传给混凝土，随距开裂截面距离的增大，由于粘结应力τ的积累，混凝土的拉应力σc(应变εc)逐渐增大，钢筋应力σs(应变εs)逐渐减小，直到距开裂截面为l处，钢筋与混凝土的应变相等(εc=εs=Ac， eff・fctm/(Es・As))。相对滑移s及粘结应力τ消失，钢筋与混凝土的应力又恢复其原来的应力状态。当荷载再增大时，在其他一些抗拉强度较弱的截面上将出现新的裂缝。显然，在距第一批开裂截面的两侧l的范围内，将不可能出现新的裂缝。
3. 2预应力混凝土构件
对于预应力混凝土轴心受拉构件，出现裂缝可能性有两种情况，第一种情况是拉力大于预加力并克服混凝土的抗拉强度，使得混凝土开裂，这种情况在预应力混凝土构件中属于预应力度不足；第二种情况是在预加力之前由于混凝土结硬过程中产生裂缝，张拉预应力后由于混凝土的咬合被破坏开裂截面表观依然呈现裂缝形态，这种情况下，开裂截面的混凝土抗拉强度被破坏，如果预加力N大于外拉力F，开裂截面仍然处于受压状态，预应力度满足要求，当外拉力F超过预加力N时，原有裂缝进一步扩展，并在其它部位会出现新的裂缝。对于第一种情况，外拉力F大于预加力N并使得混凝土开裂后，当F继续增加时，开裂截面的拉应力全部由钢筋承受，且裂缝边缘的应力为零或有微小的回退。对于第二种情况，由于混凝土已开裂退出工作状态，在外拉力F的作用下，如果F小于N，开裂截面的拉应力还是全部由钢筋承受，但由于开裂截面仍处于受压状态，裂缝边缘仍有拉应力；如果F大于N，开裂截面仍处于受拉状态，裂缝边缘应力为0。
从这个特征可判断出开裂截面的预应力度是否满足要求，推断裂缝的成因和特性。
综合上述分析可得出何载试验对裂缝性质的判别方法：
①如果是预应力度不够产生的裂缝，那么在外荷载弯矩M作用下，跨裂缝测点m1和m2的应变与M成非线性关系，裂缝边缘测点m3和m5的应变为零或有微小压应变，且随着外荷载弯矩M的增大，裂缝向上发展，中性轴也随之上移；在其他截面有新的裂缝出现。②如果是预应力张拉前产生的裂缝，张拉后预应力度满足要求，在外荷载弯矩M的作用下，由于开裂截面的混凝土退出工作，截面刚度降低，跨裂缝测点m1和m2的应变比正常截面测点m3和m4的应变大，
但应变与外荷载呈线性关系，裂缝边缘有一定的拉应变，截面中性轴稳定；在其他截面没有新的裂缝出现。③如果由于局部损伤产生的裂缝，在外荷载弯矩M作用下，跨裂缝的应变与M成非线性关系，裂缝边缘应变为零或有微小压应变，但裂缝并不向上发展，中性轴稳定；在其他截面没有新的裂缝出现。
4总结
(1)预应力混凝土桥梁出现裂缝并不可怕，关键是要正确分析裂缝成因及对结构工作状态和承载能力的影响程度，提出安全、有效、经济、适用的加固处理措施。
(2)预应力混凝土桥梁裂缝处理一般可通过下列步骤解决：①通过调查和检测掌握裂缝的特征，如：裂缝出现部位、裂缝长度及走向，裂缝宽度，裂缝深度。②综合设计、施工资料的调查，分析裂缝产生的时段，判断裂缝的性质及产生的可能原因。③可通过计算或荷载试验确定裂缝对桥梁工作状况和承载能力的影响。④确定处理方案。
对一个具体的桥梁，可根据实际情况和必要性确定是否进行荷载试验，关键是要掌握裂缝的成因、性质及对结构工作状况、承载能力和耐久性的影响程度，如果能够根据经验和计算有把握判别，无须进行荷载试验。
(3)可从梁体跨中挠度和支点转角的大小及影响线、结构变形的协同性判断裂缝对结构整体受力状态的影响。
(4)要从开裂截面的应变分布、实测应变与加载弯矩关系、应变值大小以及截面中性轴的稳定性综合判断开裂截面的工作状态和承载能力，切不可从单一参数和现象进行判断。
(5)评估应对裂缝的影响程度和范围尽可能做到定量化，为加固处理方案提供可靠依据。
