貴陽市某匝道橋橫梁開裂原因分析及處理方案

蘇 龍 ，胡章立 ，楊 絮

（1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550001；2.貴州省建筑設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002）

0 前言

貴陽市某匝道第三聯(lián)孔跨布置為28 m+28.3 m+28 m，聯(lián)長84.3 m，橋梁結(jié)構(gòu)采用等高預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，結(jié)構(gòu)寬8.9 m，梁高1.6m，箱梁結(jié)構(gòu)寬度比橋面寬度窄70 cm，兩側(cè)各預(yù)留35 cm外掛式防撞護欄的寬度，匝道橋面寬度均為9.6 m（包括帶花池防撞墻）。為了滿足下方行車的需求，該橋9#橋墩采用橫梁結(jié)構(gòu)形式，支座設(shè)置在加長的橫梁兩端，D9橫梁計算跨徑為24 m，截面高度為3 m，C50混凝土，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見圖1。施工完畢后，橫梁在支架和模板拆除過程中，發(fā)現(xiàn)其側(cè)面混凝土表面有多條豎向裂縫。

圖1 橫梁結(jié)構(gòu)示意圖（單位：cm）

1 橫梁檢測及原因分析

為了進一步了解該橋D9橫梁裂縫的開展對該結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響程度，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、檢測和施工單位共同協(xié)商，主要對D9橫梁的裂縫開展、混凝土勻質(zhì)性、鋼筋保護層厚度和混凝土強度等指標(biāo)進行現(xiàn)場檢測，對檢測數(shù)據(jù)進行綜合分析，分析橫梁開裂的原因及處理措施。

1.1 裂縫檢測

裂縫檢測主要包括以下內(nèi)容：（1）側(cè)面裂縫分布位置測量，采用鋼尺量測側(cè)面裂縫位置，并對其裂縫分布的位置進行分析；（2）側(cè)面裂縫寬度測量，對每條側(cè)面裂縫各取5處典型位置采用裂縫觀測儀進行寬度測量；（3）側(cè)面裂縫深度測量，采用超聲波平測法測試裂縫寬度最大處的裂縫深度；（4）底部裂縫觀測。

檢測結(jié)果表明，橫梁共發(fā)現(xiàn)8條裂縫，其兩側(cè)的裂縫基本呈對稱開展，橫梁側(cè)面裂縫表現(xiàn)為中間段較寬、兩端逐漸變窄、未端細的形狀，裂縫最寬位置位于橫梁5#裂縫中段位置，縫寬達0.3 mm，裂縫最深位于橫梁1#裂縫處，深度達到153 mm。

1.2 超聲波均勻性測試

超聲波均勻性測試包括三個方面內(nèi)容：（1）D9橫梁整體的超聲均勻性測試，根據(jù)實測的聲速值對橫梁混凝土的密實度、均勻性進行評定。（2）預(yù)應(yīng)力孔道的超聲測試，其目的是為了檢測預(yù)應(yīng)力孔道是否有明顯空隙，根據(jù)施工圖紙標(biāo)出預(yù)應(yīng)力孔道直線段位置，采用對測法對預(yù)應(yīng)力孔道位置進行聲速測試，將孔道處聲速值與橫梁整體的實測聲速值進行對比，從而判定預(yù)應(yīng)力孔道是否有明顯孔隙。（3）縱梁與橫梁相交處橫隔板超聲均勻性測試。

檢測結(jié)果表明測區(qū)混凝土勻質(zhì)性較好。N2～N5預(yù)應(yīng)力孔道測試的聲速數(shù)據(jù)與整體20 cm×20 cm網(wǎng)格所測聲速無明顯差異，說明預(yù)應(yīng)力孔道測線處無明顯空隙。經(jīng)施工單位對N3～N5波紋管內(nèi)鋼絞線進行查看，發(fā)現(xiàn)鋼絞線數(shù)量與設(shè)計相符，但波紋管內(nèi)未注漿，故推定預(yù)應(yīng)力孔道測線處聲速無異常是由于超聲波沿鋼束傳播（該檢測手段不能反映預(yù)應(yīng)力孔道的灌漿程度），而N1預(yù)應(yīng)力孔道測線處聲速有較大異常，相對整體20 cm×20 cm網(wǎng)格所測聲速明顯變小，推定是由于N1孔道測線接近橫梁底部，而橫梁底部存在橫向細小裂縫導(dǎo)致聲速明顯降低。箱梁和橫梁相交處的橫隔板混凝土聲速無異常，勻質(zhì)性較好。

1.3 鋼筋保護層厚度測試

對橫梁兩側(cè)采用鋼筋掃描儀進行鋼筋保護層厚度測試，每側(cè)面測試10處位置的保護層厚度，測試結(jié)果表明滿足設(shè)計要求。

1.4 橫梁混凝土強度回彈測試

在橫梁的兩個側(cè)面各布置10個測區(qū)，采用回彈儀對混凝土強度進行測試，推定強度值為51.6 MPa，換算強度平均值為58.7 MPa，滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過現(xiàn)場檢測和調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該橫梁的部分預(yù)應(yīng)力錨索未按設(shè)計要求進行張拉，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力不夠，下緣拉應(yīng)力超標(biāo)，導(dǎo)致裂縫開展。

2 橫梁處理措施

該橫梁施工事故發(fā)生后，通過對該橫梁強度、保護層厚度、裂縫長度、深度、位置的檢測及現(xiàn)場調(diào)查，分析裂縫產(chǎn)生的原因是部分預(yù)應(yīng)力張拉不到位。設(shè)計方先后考慮了五個處理方案，并進行了完整的結(jié)構(gòu)計算，其中包括：

（1）考慮在D9橫梁下加墩柱方案；

（2）考慮D9橫梁拆除重建方案；

（3）重新穿束張拉18束方案（9束φs15-12，張拉應(yīng)力為0.75 fpk、另9束φs15-15，張拉應(yīng)力為0.78 fpk；

（4）重新穿束張拉18束方案（9束φs15-12，張拉應(yīng)力為0.75 fpk、另9束φs15-15，張拉應(yīng)力為0.75 fpk；

（5）重新穿束張拉 20束（20束 φs15-12，張拉應(yīng)力為 0.75 fpk）。

基于所有預(yù)應(yīng)力孔道均未灌漿，施工現(xiàn)場重新穿束的可行性，以及綜合考慮工期、造價和社會影響等因素，設(shè)計方最終決定重新穿束張拉20束（20束φs15-12，張拉應(yīng)力為0.75 fpk）方案為橫梁開裂問題的處理方案，并征得現(xiàn)場業(yè)主、施工單位的同意，迅速予以落實、實施。

3 橫梁復(fù)檢

施工單位根據(jù)檢測結(jié)果及時按照設(shè)計要求對該橫梁進行了預(yù)應(yīng)力錨索的張拉工作，為保證橫梁的施工質(zhì)量，張拉完畢后對該橫梁進行了復(fù)檢。

復(fù)檢結(jié)果表明：（1）橫梁兩側(cè)原有8條裂縫在預(yù)應(yīng)力錨索重新張拉后均明顯閉合，僅在原4#裂縫局部長度（約6 cm）可見裂縫痕跡，裂縫痕跡的寬度約為0.07～0.08 mm，由外表檢查知，該處裂縫痕跡是因裂縫水泥砂漿脫落所致。（2）通過超聲法對該橫梁采取措施后整體勻質(zhì)性進行檢測，其聲速平均為4 870 m/s，聲速標(biāo)準(zhǔn)差98 m/s，聲速離差值為2.01，與第一次檢測結(jié)果相近，根據(jù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，可推定測區(qū)混凝土勻質(zhì)性較好，所測區(qū)域密實性較好。

由于橫梁裂縫的產(chǎn)生對構(gòu)件的整體性和耐久性有一定影響，盡管目前已經(jīng)閉合，但仍然需要按照相關(guān)規(guī)范要求對裂縫進行封閉處理。

4 裂縫封閉處理

橫梁裂縫擬采用賽柏斯（XYPEX）進行封閉處理，使用時以適當(dāng)?shù)谋壤c水泥混合后，以灰漿的形式涂刷或噴刷到混凝土基層表面，利用混凝土本身的成分在混凝土內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，生成不溶性纖維狀的結(jié)晶物，遍布在混凝土內(nèi)的微孔和毛細管道中，由于它和水有著良好的親和性，可在施工后及很長一段時間里，沿混凝土基層的微細小裂縫和毛細孔道管的滲透水向內(nèi)層反應(yīng)發(fā)展，生成枝蔓狀結(jié)晶體，填塞細小的滲漏水管道，從而取得提高混凝土強度和堵水防水的效果。

具體施工工藝為：基層處理→基面濕潤→制漿→涂刷賽柏斯灰漿→檢驗→養(yǎng)護→驗收。

5 成橋荷載試驗檢測

在對該橫梁預(yù)應(yīng)力重新張拉和裂縫處理完畢后，為進一步了解橋梁及D9橫梁在設(shè)計荷載作用下的受力情況及變形情況是否滿足設(shè)計和規(guī)范的要求，在竣工驗收前對該橋進行了全橋荷載試驗檢測，其中重點對該橫梁進行了承載能力檢測。

5.1 靜載試驗

靜載試驗選取全橋橋跨及D9橫梁進行試驗檢測評定，主要測試各跨正負彎矩最不利截面在相應(yīng)控制荷載作用下的變形以及應(yīng)力情況。試驗的主要測試項目有：

（1）主梁最不利截面的撓度、應(yīng)變測試；

（2）對主梁最不利截面觀察可能發(fā)生的裂縫并監(jiān)控其發(fā)展情況；

（3）橫梁最不利截面的撓度、應(yīng)變測試。

5.1.1 加載工況

本次試驗采用彎矩等效方法進行理論分析，由空間結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil計算得出全橋彎矩包絡(luò)圖，首先確定最大內(nèi)力構(gòu)件。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（報批稿）的規(guī)定，進一步在試驗構(gòu)件上確定內(nèi)力控制斷面。工況設(shè)置見表1，橫梁工況的應(yīng)變測點和撓度測點布置見圖2、圖 3。

表1 試驗工況設(shè)置

圖2 D9橫梁截面應(yīng)變測點布置圖（單位：cm）

圖3 D9橫梁撓度測點布置圖（單位：cm）

5.1.2 荷載效率系數(shù)

經(jīng)計算，荷載試驗方案確定由單向2車道公路-I級設(shè)計荷載控制，本次靜載試驗共采用5輛重約38 t重車進行加載，由此根據(jù)MIDAS/Civil計算得到各工況荷載效率，見表2。

表2 試驗工況荷載效應(yīng)

5.1.3 測試內(nèi)容與測試方法

（1）應(yīng)力（應(yīng)變）測試

箱梁及橫梁應(yīng)力控制截面混凝土表面應(yīng)力（應(yīng)變），采用兩種測試手段：a.在混凝土表面粘貼SZZX-BXXX智能振弦式數(shù)碼應(yīng)變計，匹配SZZX-ZH綜合測試儀進行數(shù)據(jù)采集；b.在混凝土表面粘貼JMZX-212智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計，匹配JMZX-3003綜合測試儀進行數(shù)據(jù)采集。

（2）橋面撓度

箱梁控制斷面橋面撓度采用精密水準(zhǔn)儀進行測量。

（3）橫梁撓度

橫梁控制截面撓度采用百分表進行測量。

5.1.4 實測數(shù)據(jù)整理及其分析

本橋主梁在加載荷載作用下跨中截面的最大撓度為7.62 mm，D9橫梁跨中截面的最大撓度為2.10 mm，小于《評定規(guī)程》限值，表明該聯(lián)橋結(jié)構(gòu)的縱向剛度滿足設(shè)計荷載公路-I級要求，橫梁豎向剛度滿足公路-I級荷載要求。

在各工況作用下，主梁撓度校驗系數(shù)最大為0.95，應(yīng)變校驗系數(shù)最大為0.89；D9橫梁撓度校驗系數(shù)最大為0.64，應(yīng)變校驗系數(shù)最大為0.79，均在《評定規(guī)程》中給出的預(yù)應(yīng)力混凝土橋撓度校驗系數(shù)的常值范圍為0.60～1.00，應(yīng)變（應(yīng)力）校驗系數(shù)的常值范圍為0.50～0.90，滿足《評定規(guī)程》的限值要求。其實測主要控制測點的相對殘余應(yīng)變和相對殘余撓度均不大于0.20，符合《評定規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)屬于良好的線彈性狀態(tài)。

5.2 動載試驗

動荷載試驗是為了測定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性或在動力荷載作用下的受迫振動特性，通過動載試驗評定該橋的行車性能以及行車安全和舒適度，本次主要測試內(nèi)容有：

（1）動荷載本身動力特性：動荷載大小、方向、頻率及作用規(guī)律；

（2）橋梁結(jié)構(gòu)在動力荷載下的強迫振動響應(yīng)、振幅、動應(yīng)力、沖擊系數(shù)。

由動載試驗結(jié)果得知，無障礙行車試驗最大動力系數(shù)為1.252，對應(yīng)的動態(tài)應(yīng)變增量系數(shù)為0.252；制動試驗最大動力系數(shù)為1.175，對應(yīng)的動態(tài)應(yīng)變增量系數(shù)為0.175。行車及制動的各項動力系數(shù)均在正常范圍內(nèi)，滿足規(guī)范及其《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》要求，橋梁整體動力特性良好，行車性能滿足規(guī)范要求。

5.3 荷載試驗結(jié)論

經(jīng)現(xiàn)場檢測，該匝道橋在試驗荷載作用下整體工作性能良好，處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)剛度、承載能力滿足設(shè)計要求，各項檢測指標(biāo)滿足規(guī)范要求。D9橫梁在試驗荷載作用下，未出現(xiàn)新的裂縫，原有裂縫閉合后未見重新發(fā)展，結(jié)構(gòu)剛度、承載能力滿足設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)驗收荷載試驗合格，橋梁滿足設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)（公路-Ⅰ級）要求，能交付正常使用。

6 結(jié)語

由于該橋橫梁在拆模時裂縫即被發(fā)現(xiàn)，及時檢測，第一時間分析其裂縫產(chǎn)生的原因，加之其處理措施得當(dāng)、迅速，根據(jù)該橋成橋檢測試驗結(jié)果，表明該橫梁通過重新穿索的處理方案是合理的，效果是明顯的，達到了設(shè)計和規(guī)范的要求，沒有造成任何經(jīng)濟損失。該橋橫梁施工事故的處理方法在類似的工程中具有借鑒意義。

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[2]貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院試驗檢測中心.貴陽市某匝道橋橋梁荷載試驗報告[R].2011.

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