大跨徑橋梁連續(xù)箱梁腹板典型病害原因分析

王賢基

(廣東華路交通科技有限公司，廣東廣州 510800)

1 橋梁概況

ZQ大橋主橋是橫跨ZQ市西江河段的一座特大橋，設(shè)計荷載等級為汽車—超20級，掛車—120，雙向四車道，人群3.5 kN/m，主橋上部結(jié)構(gòu)為86 m+4×136 m+86 m=716 m六孔預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁。于2001年8月建成通車。

橋型布置圖見圖1。

圖1 ZQ大橋橋型布置圖（單位：cm）

上部結(jié)構(gòu)為三向預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。主要病害為箱梁腹板存在斜向裂縫，其中箱梁內(nèi)開裂情況較箱梁外情況嚴(yán)重，箱梁內(nèi)腹板裂縫最大寬度δ內(nèi)=0.30 mm，箱梁外腹板裂縫最大寬度δ外=0.15 mm，腹板裂縫中間寬兩端窄，腹板裂縫見圖2。箱梁腹板斜向裂縫沿跨中左右兩側(cè)對稱分布，與水平夾角為15°～50°(見圖3)。

圖2 箱梁內(nèi)腹板斜裂縫

圖3 箱梁腹板開裂區(qū)域示意圖

表1 專項檢測結(jié)果匯總

2 專項檢查結(jié)果及分析

橋梁專項檢測結(jié)果見表1。專項檢測結(jié)果表明:箱梁底板測區(qū)混凝土保護層厚度偏薄，對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有輕微影響。其余檢測項目評定標(biāo)度值均為1，表明相應(yīng)檢測項目情況良好。

3 靜載試驗

ZQ大橋主橋在各試驗工況下，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的實測應(yīng)變和變形均小于理論計算值，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位未發(fā)現(xiàn)新的裂縫，既有裂縫寬度變化不大，卸載后結(jié)構(gòu)相對殘余變形均小于20%，具體見表2，試驗結(jié)果表明該橋滿足汽車超—20，掛車—120，人群荷載3.5 kN/m2設(shè)計荷載的要求。

表2 各工況試驗結(jié)果

4 動載試驗

本次固有頻率的識別采用由自譜分析得到，結(jié)構(gòu)豎向一階頻率為0.609 4 Hz，而理論值為0.482 3Hz，實測值大于理論計算值，說明結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度，滿足設(shè)計要求(見圖4)。

圖4 一階振型0.482 Hz

進一步將10 km/h，20 km/h，30 km/h跑車試驗得到時程曲線，進行自譜分析，其結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)豎向一階頻率為0.593 8 Hz，而理論值為0.482 3Hz，實測值大于理論計算值，說明結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度。結(jié)構(gòu)自振頻率實際值大于理論值，滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

圖5 ZQ大橋脈動試驗頻譜曲線

5 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力評定

結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)修正系數(shù)及相關(guān)指標(biāo)如下:承載能力惡化系數(shù)ξe取0.073;截面損傷折減系數(shù)ξc取0.98;鋼筋腐蝕的截面折減系數(shù)ξs取1.0;承載力檢算系數(shù)Z1取1.1;活載影響修正系數(shù) ξq取 1.0。

荷載組合根據(jù)橋規(guī)(JTJ 021-89，JTJ 023-85)的規(guī)定，考慮到廣東地區(qū)溫度的實際情況，結(jié)合85規(guī)范溫度與實際溫度效應(yīng)相差較大，本次檢算采用04規(guī)范溫度，即考慮截面溫度梯度影響，三種組合進行截面驗算為:

荷載組合Ⅰ:恒載+汽車—超20級;

荷載組合Ⅱ:恒載+汽車—超20級+溫度梯度(JTG D60-2004規(guī)范模式);

荷載組合Ⅲ:恒載+掛車—120。

本橋采用平面桿系有限元法建立了連續(xù)箱梁的二維有限元模型，全橋共有215個節(jié)點，214個單元，有限元模型見圖6。

圖6 主橋有限元模型圖

5.1 承載能力極限狀態(tài)下截面強度驗算

1)承載能力極限狀態(tài)抗彎驗算。

由計算可知，荷載組合Ⅱ為關(guān)鍵截面控制荷載組合。

全梁各主要驗算截面的強度系數(shù)均大于1，截面強度滿足要求。荷載組合Ⅱ作用下，全梁各主要驗算截面的強度系數(shù)均大于1，截面強度滿足要求(見表3)。各主要驗算截面中，最大正彎矩強度系數(shù)最小位于邊跨跨中截面，其值為2.08，最大負(fù)彎矩強度系數(shù)最小位于次邊墩墩頂截面處，其值為1.43。

表3 承載能力極限狀態(tài)下各截面抗彎強度驗算結(jié)果對照表

2)承載能力極限狀態(tài)抗剪驗算。

關(guān)鍵截面抗剪滿足要求(見表4)。

表4 斜截面抗剪強度驗算結(jié)果對照表

5.2 正常使用極限狀態(tài)下應(yīng)力驗算

荷載組合Ⅱ作用下，墩頂?shù)装遄钚簯?yīng)力為23.5 MPa，箱梁主孔(L=136 m)15號塊附近(箱梁腹板開裂區(qū)域)下緣正應(yīng)力為-0.72 MPa，最大主拉應(yīng)力為-0.91 MPa。箱梁出現(xiàn)主拉應(yīng)力的區(qū)域，腹板也存在斜向裂縫，且主拉應(yīng)力較大的地方，裂縫寬度也較大。

5.3 承載能力驗算主要情況

1)承載能力極限狀態(tài)，主橋各關(guān)鍵截面抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。各關(guān)鍵截面抗剪承載能力滿足規(guī)范要求，但富余不多。2)正常使用極限狀態(tài)。荷載組合Ⅱ作用下，箱梁主孔(L=136 m)15號塊附近(箱梁腹板開裂區(qū)域)下緣正應(yīng)力為-0.72 MPa，最大主拉應(yīng)力為-0.90 MPa。

6 病害原因分析

1)主橋連續(xù)箱梁主要病害為箱梁1/4L～1/2L跨區(qū)域的13號～17號塊之間腹板存在斜向開裂，箱梁腹板裂縫區(qū)域見圖4，箱梁內(nèi)裂縫較箱梁外的裂縫寬，箱梁內(nèi)最大裂縫寬度 δ=0.30 mm，裂縫寬度6 cm～10 cm，為結(jié)構(gòu)的受力裂縫。

2)經(jīng)建模計算分析，荷載組合Ⅱ作用下，箱梁主孔(L=136 m)15號塊附近(箱梁腹板開裂區(qū)域)最大主拉應(yīng)力為-0.91 MPa。經(jīng)過現(xiàn)場檢測結(jié)果及建模計算分析情況來看，主橋13號～17號塊之間腹板出現(xiàn)主拉應(yīng)力的區(qū)域，腹板也存在斜向裂縫，且主拉應(yīng)力較大的地方，裂縫寬度也較大，表明箱梁腹板裂縫為受力裂縫，箱梁病害出現(xiàn)與主拉應(yīng)力有關(guān)。

3)本橋采用三向預(yù)應(yīng)力體系，而采用豎向預(yù)應(yīng)力體系提供抗剪強度，截面剪力由混凝土、箍筋和豎向預(yù)應(yīng)力筋共同承擔(dān)。一般來說，施工時結(jié)構(gòu)腹板尺寸和箍筋配筋率較易滿足設(shè)計要求，而豎向預(yù)應(yīng)力則往往不能達到設(shè)計要求，一方面由于本橋主跨跨徑為136 m，跨中區(qū)域豎向力筋較短，自身損失大，另一方面則是由于構(gòu)造及施工的原因，豎向預(yù)應(yīng)力的張拉效果不理想，永存豎向預(yù)應(yīng)力會低于設(shè)計要求。

4)結(jié)構(gòu)開裂后，應(yīng)力重分布及箱梁底面開裂后截面剛度變小，會使得病害發(fā)展。

a.ZQ大橋主橋在各試驗工況下，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的實測應(yīng)變和變形均小于理論計算值，關(guān)鍵部位未發(fā)現(xiàn)新的裂縫，既有裂縫寬度變化不大，卸載后結(jié)構(gòu)相對殘余變形均小于20%，試驗結(jié)果表明該橋滿足設(shè)計荷載的要求。

b.主橋各關(guān)鍵截面抗彎極限承載能力滿足規(guī)范要求，關(guān)鍵截面抗剪極限承載能力滿足規(guī)范要求，最大剪力截面安全系數(shù)為1.07，富余不多。正常使用狀態(tài)組合Ⅱ下，下緣最大主拉應(yīng)力為-0.9 MPa。

7 結(jié)語

全面檢測評定了該類型橋梁病害產(chǎn)生的原因，為同類型箱梁結(jié)構(gòu)的病害原因分析積累了經(jīng)驗，并且為橋梁的承載能力評定提供參考。