探讨连续箱梁墩帽裂缝成因及其加固方法

来源：职称驿站所属分类：建筑施工论文
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　　摘要：针对连续箱梁墩帽裂缝的质量病害，从设计和施工两方面分析了裂缝产生的原因，并应力计算，根据计算结果及相应的加固措施的建议。大桥已经运营，裂纹没有进一步发展，并取得了良好的效果。

　　关键词：连续箱梁,裂缝,成因分析,加固处理

　　0引言

　　近年来，大量的高墩大跨桥梁结构工程发生各种原因的桥梁质量事故，其中大多数是由于混凝土和预应力施工不规范造成质量事故，结合工程实例，从工程的角度分析了裂缝产生的原因，并提出了如何强化。[1]

　　1工程概况

　　桥长216.87m，上部是55 + 100 +55m三跨连续梁桥。横截面为单箱双室，宽20.5m。下部中墩是空心墩为实体型桥墩，桥墩承台顶面实体墩帽，长度13.2m，对应的箱梁边腹板和中腹板设3个支座，垫石墩帽总厚度为2m，支座之间墩帽总厚度为1.5m，挑出牛腿横向墩，墩帽采用C30级砼，箱梁采用C50级砼。由于连续箱梁支座的位置偏差，桥墩承台配筋不足等原因，0 #砌块施工，两侧发现早期裂缝的混凝土墩帽，宽度为0.08～0.15mm。如悬臂段1 #标本的施工后，上部荷载的增加，裂缝宽度增加到0.35 mm，最大宽度可达0.65mm。墩帽内钻孔，设置预应力钢筋. [2]

　　2裂缝产生及发展过程

　　2007年6月12日，该桥0 #块张拉预应力筋，发现2 #墩帽表面轴承槽之间的角落，从中央轴约1.9m各有有一个顺桥向的裂缝，裂缝宽度约0.08～0.15nm，裂纹位置(见图1)。

　　在裂缝处安装应变片，应变检测。1 #片混凝土浇筑，裂缝已发展，宽度可达0.35mm。到2007年8月21日，裂缝宽度约0.65mm。

　　3裂缝产生原因分析

　　3.1设计方面

　　3.1.1支座位置不当

　　因为设计的边缘支持中心在桥墩实体边界内只有345mm(见图2)，一些在边界实体外。引起偏压的影响，墩帽上的偏压所造成帽顶受拉。[3]

　　3.1.2 墩帽断面突变

　　墩帽部分高度不一致，在支座墩帽总厚度2.0m，支座之间的墩帽厚为1.5m(见图3)，墩帽刚度不一，墩帽顶面受拉，引起墩帽断面突变的转角处应力集中，导致混凝土拉应力的增加。墩帽的裂缝出现在截面突变的角落，裂缝方向与主拉应力垂直(见图2)。[4]

　　3.1.3 墩帽顶面配筋不合理

　　(1)最大弯曲应力在支座之问墩帽凹槽顶面转角处，但设计在凹槽处未配置通长钢筋(图3)，只在支座下设置钢筋，承受局部压应力，无法平衡拉应力，引起混凝土开裂的主要原因。

　　(2)钢筋偏少，造成或加剧混凝土的开裂。

　　(3)转角不设局部构造钢筋导致应力集中引起混凝土开裂。

　　3.2施工原因

　　3.2.1施工流程安排不当

　　施工0 #和1 #块，墩帽负荷高达21204KN(纵向长度为20m，方量为661.64m3，重量1720.3t，还有挂篮，框架等施工荷载)，这个时候只有在墩顶梁底横向预应力筋张拉，无张拉梁上部横向预应力筋，引起横梁下部受压，上部受拉，通过计算，中支座基本不受力(见表1)，集中荷载作用于边支座上，横梁有起拱趋势(见图4)，使墩顶面拉应力增加。利用结构分析软件迈达斯建模，只张拉下部横梁H2钢束，纵向拉伸应力最大为1.60Mpa，位于墩帽挑臂端部下缘，横桥向最大拉应力为4.01MPa，位于墩帽凹槽处上缘，超过设计强度的混凝土，混凝土表面裂缝，尤其是横向拉伸应力所产生的垂直裂缝。

　　3.2.2临时固定支座由硫磺砂浆支座改为砂箱

　　临时支撑用砂箱，将设计的硫磺砂浆表面负载成为一个点负荷，墩帽悬臂梁截面应力集中，更偏外，导致桥墩顶帽产生更大的拉伸应力。

　　综上所述，裂缝的主要原因是支座中心偏外，导致墩帽上部受拉，和墩帽没有设置预应力筋，墩顶面钢筋偏少，无法承受负荷引起的拉应力，导致桥墩承台截面薄弱的裂缝，和临时固结轴承改变负载条件，也是导致裂缝的发生因素。

　　4加固处理

　　4.1加固理由

　　当上负载的重量是21204KN，裂缝宽度达0.65rnrn，有发展趋势，并达到最大悬臂，上部荷载将达到54099KN;桥梁运行阶段上总负荷达到74224KN，负荷增加，桥梁墩帽内部将产生更大的内力，因此有必要加强墩帽。施工控制和操作阶段的反应力，见表1。

　　4.2加固方法

　　4.2.1预应力束布置及应力验算

　　共有6根弯起束，其中4根15ΦS15.2位于墩帽中央，2个12ΦS 15.2位于两侧的桥墩承台截面梁的弯曲，弯曲半径为4000mm，另一组6根7Φs15.2直梁弯曲梁，弯曲梁与直束会和于同一根管道(见图5)。

　　预应力荷载等效荷载横向预应力混凝土墩帽，根据A类型计算钢筋混凝土构件，纵向根据钢筋混凝土构件进行验算。根据要求的承载力极限状态计算的强度和正常使用极限状态下的混凝土裂缝，以满足结构安全和耐久性。

　　(a)正应力验算

　　桥梁在运营阶段，短期效应组合最大水平应力小于1.0Mpa，小于混凝土抗拉强度设计值1.39Mpa，符合规范的部分预应力混凝土型元件的要求。最大纵向拉应力1.8Mpa，小于混凝土抗拉强度设计值(这里1.83Mpa，C50混凝土)，满足规范要求。

　　(b)横桥向主应力验算

　　桥梁在运营阶段水平最大主拉应力为0.82Mpa，小雨部分预应力混凝土构件的组合下，短期效应的主拉应力容许值1.005Mpa，满足规范要求。

　　(C)墩帽挑臂根部处斜截面抗剪强度验算

　　在边缘支承反力，桥墩悬臂根部产生剪切力7509KN，小于截面抗力10983KN，设计值小于抗力值，富余系数为1.46，可以满足规范要求。

　　(d)锚下局部承压验算

　　假定承压混凝土为C40，l5ΦS 15.2、12ΦS 15.2锚垫板尺寸为按300×300，7ΦS 15.2锚垫板尺寸为210×210。由于l2ΦS 15.2锚下应力小于l5ΦS 15.2，只要检验15ΦS 15.2锚下应力能满足规范，12ΦS l5.2锚下应力同样满足规范。

　　15ΦS 15.2锚下局部承压强度设计值为3 515kN，相应的锚下局部受压截面抗力值为3 810 kN，承压强度抗力值为4 644 kN，设计值小于抗力值，富余系数分别为1.08、1.32，满足规范要求。

　　7ΦS 15.2锚下局部承压强度设计值为1 641 kN相应的锚下局部受压截面抗力值为2 449 kN，承压强度抗力值为2 961 kN，设计值小于抗力值，富余系数分别为1.49、1.80，满足规范要求。

　　4.2.2加固构造

　　(a)端部处理

　　端部凿除表面砼为150mm，梁内钢筋暴露的进行焊接补强，预应力锚下加钢筋网片及钢板。

　　(b)凹槽处理

　　凹槽处凿除表面砼为100mm，原墩帽钢筋暴露的部分后补强。

　　(c)钢筋的连接

　　挑臂端部钢筋需要进行补强，进行焊接。另外在梁底放置纵向受力钢筋.设置上下两层Φ32钢筋，横向间距为100mm，竖向净距为50mm

　　(d)锚下处理

　　在锚下设置受压钢板和分布钢筋，减小预应力筋锚下局部应力。

　　(e)预应力孔构造

　　张拉孔孔径为100mm，采用体内预应力筋的外包钢管，在预应力张拉端外径采用Φ95mm，壁厚为4mm，在扩孔段外径采用Φ95—102mm，壁厚为4mm。

　　(f)浇注混凝土

　　张拉预应力钢筋前，浇注槽和悬臂锚下混凝土，预应力筋张拉后，混凝土浇注封锚。混凝土为C60微膨胀混凝土。

　　4.2.3对现有裂缝进行处理。

　　4.3全部张拉横向预应力钢束

　　因为只张拉横梁下部，支点悬空，如张拉横向预应力筋，可以大大提高结构的边缘点的应力状态，从而改善受力状况的墩帽。不同施工条件下的反应力是表2所示。从表中可以看出，所有的横梁预应力钢束张拉后，就是施工5 #段，边缘支座反力(10068KN)仍然低于只对横梁下部H2预应力筋张拉时的应力(10602KN)，所以立即对钢束全部张拉，改进结构是非常有效的，更是必须的。

　　4.4加固裂缝控制

　　4.4.1横向拉应力引起的墩帽凹槽处的竖向裂缝

　　随着负荷的不断增加，凹槽由于反力队偏压诱导横向拉伸应力将继续增加，裂纹扩展，使墩帽损坏，必须控制裂缝的继续发展，与裂纹的修复。

　　从表1可以看出，中、边支座在运行是时反力最大，因此在对桥墩进行具体强度、裂缝验算时，以该工况作为重点工况。

　　4.4.2墩帽悬臂根部处的竖向剪力引起的裂缝

　　由于反力在横桥向墩帽向外偏心，在悬臂根部产生较大的竖直剪力，由于此方向抗剪筋也较弱，可能会产生在垂直剪切裂缝。

　　5处理效果

　　加固后墩帽，在凹槽的横向拉应力，预应力梁的悬臂梁根部，预应力束锚下局部应力应符合标准要求，该桥后进行的静动载试验，可以满足设计和规范要求。

　　6结语

　　(1)因混凝土构件不是绝对刚性，当两侧的轴承布置偏心，产生偏压，将导致墩帽上部张力，设计中应避免超过混凝土抗拉应力，可增加或适当调整两边轴承距离处理;当不可避免超过允许拉应力的混凝土时，应加强钢筋，以避免出现裂缝。

　　(2)构件受拉面应尽可能平顺，以避免应力集中。

　　(3)在预应力张拉，考虑构件变形对相应构件影响;改变预应力束张拉顺序，应考虑施工方案的变更对结构受力的影响。