预应力混凝土T梁裂缝分析

预应力混凝土T梁裂缝分析摘要：贵州省遵义—绥阳高速公路TJ4合同段4座大桥均为多跨25m先简支后连续预应力T梁，在预制T梁的过程中，多片T梁腹板逐渐出现了裂缝。从T梁结构设计、施工工艺、材料配合比、温度、基座沉降等方面分析裂缝产生的原因，有效解决了T梁腹板开裂问题，并提出了相应改进措施和建议。关键词：T梁竖向裂缝环向裂缝裂缝分析一、工程概况贵州省遵义—绥阳高速公路TJ4合同段4座大桥上部结构均采用了25m预应力混凝土先简支后连续T梁，共有T梁570片。T梁的施工工艺均采用现场预制吊装，简支安装后浇注墩顶现浇连续段，并张拉墩顶现浇段负弯矩区预应力钢绞线，安装永久支座，拆除临时支座，最后形成结构连续，浇注桥面系，完成桥梁的施工。腹板厚度为20cm，T梁横断面结构尺寸如图1。T梁结构采用的主要材料如下：预制T梁、现浇湿接缝、接头、调平层均采用C55混凝土；钢绞线采用低松驰高强度预应力钢绞线符合GB/T5224—2003的规定，单根钢绞线直径15.24mm，钢绞线面积A=140m2，强度级别为1860MPa，弹性模量为1.95×105MPa；普通钢筋采用HRB335和IR235级；钢板采用符合GB700—88规定的Q235的钢板；预应力锚具符合国标《预应力筋用锚具、夹具、连接器》（GB/T14370—2000）要求的OVM锚具及配套产品。图1T横断面结构图（单位：mm）其中部分桥T梁在预制场拆模后，腹板出现了开裂现象。笔者从结构设计、施工方面分析探讨了裂缝产生的原因，解决了T梁腹板开裂，并提出改进措施和建议。二、梁体腹板裂缝概况T梁预制场设在路基上，现场设置24个混凝土预制台座。在开始预制的100多片梁中，在预应力钢绞线张拉后，除发现部分T梁略有侧弯外未有裂缝产生。而在后来预制的T梁中，发现有5片T梁在拆模后，腹板上陆续出现裂缝并有所发展。T梁裂缝分布情况分为2种：①为竖向裂缝仅分布在腹板上，未延伸到马蹄或翼板；②为竖向裂缝并环向贯通裂缝，延伸到马蹄或者翼板。有2片梁拆模后随即在腹板上出现竖向裂缝，有3片梁在T梁的腹板上发现有3～4条竖向裂缝，裂缝分布在端横隔板和中横隔板之间，裂缝在竖向相互平行，最高裂至腹板和翼板交接处，并延伸至翼板底面；最低裂至马蹄处，并通过马蹄底面与腹板对面裂缝相接。取裂缝比较典型的1片梁进行测量，发现裂缝延伸到马蹄的裂缝有4条，裂缝宽度0.1、0.22、0.2、0.14mm；其余腹板裂缝5条，裂缝宽度在0.1～0.32mm。T梁裂缝的分布如图2。图2T梁裂缝分布三、裂缝分析笔者对影响T梁裂缝的因素进行了分析，这些因素包括材料、配合比、分布钢筋间距、温度、外加剂、基座变形、养护情况等，现在对其逐一分析。最初，笔者认为是水灰比过大，导致T梁裂缝的产生，但经调整水灰比后，发现T梁的裂缝仍然存在。在对混凝土的原材料（砂、碎石、水泥）在工地试验室进行了检验，检验结果均符合施工规范的要求，同时采用回弹法对T梁进行了强度检测，其中对1片梁采用了钻心法检测强度，各片梁的强度均达到了设计要求。证明发生裂缝不是混凝土自身的质量原因,与原材料的质量和配合比无关。混凝土的浇筑工艺与未发生裂缝的T梁相同，说明裂缝发生与混凝土的浇筑工艺也无关。同时，由于T梁是属于简支状态的，故基座发生不均匀沉降时，最容易导致梁体开裂。预制场中共有24个基座，每个基座均已浇筑多片T梁，有可能基座发生不均匀沉降了。经过多次测量、检验，各个基座沉降量均在1mm内，而基座中心线偏移量在2mm以内。根据规范，该数据完全满足要求，可忽略其产生的影响。然后对预制场的温度进行了分析，T梁混凝土浇筑期间，当地的最高温度为35℃，最低气温为15℃。结合混凝土的裂缝特点，根据资料研究，混凝土的热膨胀系数约为（8～12）×10-6/℃，平均约为10×10-6/℃，当结构的一部分受到温度的作用引起体积变化就有可能产生裂缝。特别是那些一部分受到温度的变化作用，而另一部分受到防护不受到温度变化作用的结构，温度降低时受到温度影响的将产生裂缝。从预制T梁产生的未贯通裂缝来看，裂缝分布在端横隔板和中横隔板之间，裂缝呈竖向平行，最高裂至腹板与翼板交接处，最低裂至腹板与马蹄交接处，而翼缘板和马蹄部分均为发生开裂。原因是混凝土浇筑后，夜间温度聚然下降，温度的下降造成混凝土表面收缩。对翼缘板部分，由于其表面宽度170cm，与外界接触面积大，翼缘板厚为16cm，厚度相对小，加上其位于结构最上方，表面亦未封闭，保湿效果差，温度下降时，翼缘板收缩小，且为整体收缩，所以未发生裂缝；对马蹄部分，其位于结构的最下端，底面与预制台座接触，底面受到预制台座的弹性约束，其横向宽度比腹板大，温度下降时，混凝土的收缩受到了基座的约束，马蹄受到温度的影响比腹板的要小，产生的拉应力不足以产生裂缝。腹板部分介于翼缘板与马蹄之间，温度下降时，由于其保湿和保温未得到很好的保障，其表面受到冷击，加上刚度比马蹄小,表面混凝土收缩时又受到马蹄部分及其内部混凝土的约束，表面混凝土产生的拉应力过大，并以裂缝的方式表现出来。分别对5片梁裂缝位置进行了开凿检查，检查发现裂缝位置的钢筋间距、钢筋保护层均满足设计要求，而5片T梁裂缝中有环向裂缝，说明非结构性裂缝的产生导致了结构性裂缝的产生，表面裂缝产生后，逐渐向内部发展，由于腹板内的纵向钢筋及竖向钢筋间距过大（20cm），温度分布钢筋未起到应有的作用，至使裂缝逐渐发展贯通。四、处理措施依据《公路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土设计规范》（JTJ-02885），预应力混凝土梁中不允许出现竖向裂缝，虽然本工程中梁体裂甚至缝的宽度和范围都较小，但T梁结构中裂缝的发展会减小保护层的厚度，造成普通钢筋锈蚀，甚至直接造成承载力下降，从而影响结构的安全性和耐久性，所以必须对已开裂的梁体采取适当的措施进行有效的处理和补强。针对裂缝较小和裂缝贯通的特点，决定对裂缝位置开凿后，采用环氧树脂砂浆封闭修补法。采用环氧树脂砂浆作为封闭材料，可以有效增强结构整体性，使梁体恢复使用功能，提高耐久性，施工简单，费用低，封闭后梁体外观较为平整。五、处理效果为检验处理结果，对其中的两片梁进行了现场静载试验以判断其承载能力是否达到设计要求。1、将600KN的试验荷载，采用液压千斤顶分级施加于T梁的跨中测得每级荷载下跨中、四分点、两端等处的挠度和应变，观察梁体裂缝的开裂情况，测点挠度实测结果见表1.由表1可知，跨中最大挠度fmax=18.86mm，说明梁体具有足够的刚度，另外，各级荷载下测点变形均匀，跨中挠度基本呈线性增加，各测点卸载后的残余变形较小，说明梁体基本弹性工作状态。表1测点挠度实测结果mm试验梁荷载等级/KN残余变形2018026042055060011-2L/40.342.785.108.1310.3412.212.04L/20.574.858.2312.816.9518.863.10L/20.413.325.468.3411.0612.952.422、跨中截面上、下缘混凝土和钢绞线的实测应力见表2.由表2可见，跨中截面为全断面受压，混凝土和钢绞线的最大应力不超过规范规定的限值。算得跨中的试验弯矩Ms=5013.9KN.m，远小于设计极限弯矩Mu（取值为8772.3KN.m）说明梁体有足够的承载能力和相当大的安全储备。表2跨中截面应力Mpa荷载上缘下缘钢绞线试验荷载（由实测应变推算）-14.922.6112.0预应力和自重（按规范取值）1.5-23.6955.6总应力（以上两项叠加）-13.4-1.01067.63、试验时在原有裂缝位置和最大受拉区设置观测标记，在整个试验过程中均未出现新的裂缝，原裂缝位置未见异常。试验表明，开裂的预制T梁开凿后经环氧树脂砂浆封闭处理后，其承载能力能够满足设计及规范要求。六、结论与建议结构裂缝产生的原因是多方面的，该桥的25m跨径的先简支后结构连续T梁，预制时发生的裂缝是由于温差较大，且腹板内温度分布钢筋及箍筋间距过大的原因。采取调整养护条件和调整腹板钢筋和箍筋间距后，预制的T梁中未发现裂缝，说明本文的分析是合理的。综上所述，结合T梁裂缝的分析和处理，提出几点建议：1）在温差较大的预制场预制T梁时要注意温度或风力影响，做好保温养护工作。2）加密腹板和马蹄内的竖立及横向钢筋，起到温度分布钢筋的作用。3）采用合理的施工工艺，加强混凝土的早期养生，防止表面干缩裂缝。