預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁病害評估及成因分析

馮海龍，高 巖，胡 強(qiáng)

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁病害評估及成因分析

馮海龍，高 巖，胡 強(qiáng)

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

一城市快速路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋在反彎點(diǎn)附近，腹板豎向開裂，裂縫最大寬度達(dá)0.7 mm。對該橋進(jìn)行了外觀檢查、無損檢測、結(jié)構(gòu)檢算及靜載試驗(yàn)綜合評估，并結(jié)合評估結(jié)果對病害成因進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明:腹板開裂是由于設(shè)計(jì)中反彎點(diǎn)處預(yù)應(yīng)力鋼筋布置不合理，在反彎點(diǎn)處重心偏高且較集中，造成反彎點(diǎn)附近抗彎、抗裂強(qiáng)度不夠。此外，由于橋梁施工工藝欠佳或養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成梁體在反彎點(diǎn)處收縮開裂，并在后期進(jìn)一步發(fā)展。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁 反彎點(diǎn) 腹板豎向開裂 結(jié)構(gòu)病害評估

1 橋梁概況

一城市快速路橋梁上部結(jié)構(gòu)采用6跨等截面現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，梁高1.6 m。全聯(lián)為直線橋，跨徑布置為(25+25+26.61+33.39+25+25)m，橋?qū)?4.5 m，橫向布置為1.5 m(綠化帶)+12.25 m(機(jī)動(dòng)車道)+0.75 m(防撞欄桿)。主梁預(yù)應(yīng)力筋采用規(guī)格為9-φj15.24 mm的低松弛鋼絞線，張拉控制應(yīng)力1 302 MPa。箱梁及混凝土鋪裝層采用40號混凝土。結(jié)構(gòu)跨中橫截面見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)跨中位置橫截面 (單位:cm)

2 結(jié)構(gòu)病害評估

2.1 結(jié)構(gòu)病害評估方法

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)病害評估是一個(gè)系統(tǒng)工程，按照其先后順序，主要分為外觀檢查、無損檢測、結(jié)構(gòu)檢算及靜載試驗(yàn)4個(gè)部分。

1)外觀檢查

外觀檢查是對結(jié)構(gòu)及其附屬設(shè)施的所有構(gòu)件或部位進(jìn)行系統(tǒng)的檢查。對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，裂縫檢查是該環(huán)節(jié)中最重要的檢查項(xiàng)目，檢查內(nèi)容主要包括裂縫出現(xiàn)的位置、長度、寬度、形態(tài)及走向等。

2)無損檢測

針對外觀檢查中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)開裂部位，采用超聲波探測法對裂縫深度進(jìn)行檢測，進(jìn)而判斷其是表面裂縫還是結(jié)構(gòu)受力裂縫。

3)結(jié)構(gòu)檢算

結(jié)構(gòu)檢算可以全面掌握結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的受力狀態(tài)。對于病害橋梁的結(jié)構(gòu)檢算，按現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)構(gòu)尺寸及車輛質(zhì)量建立全橋有限元模型加以計(jì)算分析，并根據(jù)外觀檢查及無損檢測的結(jié)果，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)的規(guī)定進(jìn)行系數(shù)調(diào)整。

4)靜載試驗(yàn)

對于開裂的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，可以通過靜載試驗(yàn)的方法，判斷裂縫對結(jié)構(gòu)受力的影響及結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度是否滿足要求。

2.2 外觀檢查結(jié)果

外觀檢查發(fā)現(xiàn)部分橋跨反彎點(diǎn)處箱梁腹板存在豎向開裂現(xiàn)象，裂縫最大寬度0.7 mm，部分裂縫已延伸至底板，空間呈L形。梁體裂縫狀況見圖2。

圖2 梁體裂縫狀況

2.3 無損檢測結(jié)果

選取第2跨梁體，利用超聲波對其外側(cè)腹板開裂較寬處探測裂縫開展深度，梁體兩測點(diǎn)位置實(shí)測裂縫深度分別為150.3，199.3 mm。受鋼筋影響，實(shí)際裂縫深度可能較以上測試值更深，可以初步判斷為結(jié)構(gòu)受力裂縫。

2.4 結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場檢查結(jié)果及設(shè)計(jì)圖紙，分別按照該橋原設(shè)計(jì)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 023—85)及現(xiàn)行規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，分析該橋的受力狀態(tài)及病害產(chǎn)生原因。

該橋原設(shè)計(jì)荷載為汽車—超20級、掛車—120，梁體結(jié)構(gòu)采用單箱雙室截面。計(jì)算時(shí)考慮了箱梁頂板、底板有效分布寬度和溫度效應(yīng)?；诒Ｊ貦z算，活載均按汽車—超20級、掛車—120考慮。其中，JTJ 023—85溫度效應(yīng)按頂板升降溫5℃考慮，JTG D60—2004規(guī)范溫度效應(yīng)按照溫度梯度模式考慮。

1)按JTJ 023—85進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算

在JTJ 023—85體系下，對主梁承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)受力進(jìn)行檢算。結(jié)構(gòu)檢算采用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)分析軟件橋梁博士V3.0。

承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)檢算內(nèi)容為正截面抗彎承載力。正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)檢算內(nèi)容為截面正應(yīng)力、主應(yīng)力及梁體剛度。在荷載組合Ⅰ～Ⅲ下，結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果均滿足JTJ 023—85要求。

2)按JTG D60—2004進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算

在JTG D60—2004以及JTJ 023—85體系下，對主梁承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)受力進(jìn)行檢算。結(jié)構(gòu)檢算采用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)分析軟件MIDAS。

承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)檢算內(nèi)容為正截面抗彎強(qiáng)度和斜截面抗剪強(qiáng)度。檢算結(jié)果表明:考慮 JTG D60—2004溫度效應(yīng)，主梁正截面抗彎強(qiáng)度在墩頂及跨中位置滿足要求，但在反彎點(diǎn)附近部分截面不滿足規(guī)范要求;主梁斜截面抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范的要求。正截面抗彎強(qiáng)度檢算結(jié)果見表1。

正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)檢算內(nèi)容為正截面抗裂、斜截面抗裂及主梁剛度。檢算結(jié)果表明:主梁斜截面抗裂、第4跨4#墩頂附近正截面抗裂均不滿足規(guī)范對混凝土預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件要求;主梁剛度滿足規(guī)范要求。

2.5 靜載試驗(yàn)結(jié)果

為掌握梁體的基本情況和受力性能，靜載試驗(yàn)主要包括:跨中截面承載能力測試、墩頂截面承載能力測試、反彎點(diǎn)處裂縫專項(xiàng)測試。

表1 承載能力極限狀態(tài)正截面抗彎強(qiáng)度檢算結(jié)果kN·m

靜載試驗(yàn)評估結(jié)果如下:

1)跨中截面承載能力測試

實(shí)測預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁第1跨0.4L處、第2跨跨中底板各測點(diǎn)應(yīng)變整體變化均勻，未出現(xiàn)突變、退化現(xiàn)象，與荷載效率有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)在0.990 8～0.991 7，最大荷載效率分別為1.02，1.01。表明梁體跨中在試驗(yàn)荷載作用下未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，梁體抗裂性能滿足要求。

實(shí)測預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁第1跨0.4L處、第2跨跨中底板平均應(yīng)變分別為37×10－6，38×10－6，理論值分別為50×10－6，36×10－6，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別為0.74，1.05，基本滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)＜1.0的要求。

實(shí)測預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁第1跨0.4L處、第2跨跨中位置撓度值分別為 2.26，2.07 mm，理論值分別為3.15，2.28 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)為 0.72，0.91，均滿足JTG/T J21—2011中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)變形校驗(yàn)系數(shù)＜1.0的要求。但結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，同類預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁撓度校驗(yàn)系數(shù)一般在0.7～0.8，因此該預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋整體剛度偏低。

2)墩頂截面承載能力測試

實(shí)測預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁第1跨1#側(cè)墩頂位置底板受壓平均應(yīng)變?yōu)椋?7×10－6，理論計(jì)算為－20×10－6，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.85，滿足 JTG/T J21—2011中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)＜1.0的要求。

3)反彎點(diǎn)處裂縫專項(xiàng)測試

選擇開裂較為嚴(yán)重的第2跨2#墩側(cè)反彎點(diǎn)處腹板進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測試截面測點(diǎn)布置見圖3，測試結(jié)果見表2。

圖3 測試截面測點(diǎn)布置 (單位:cm)

表2 測試截面實(shí)測應(yīng)變 ×10－6

由表2可知，除絕對值較小的測點(diǎn)外，其余測點(diǎn)卸載相對殘余應(yīng)變均較小，滿足 JTG/T J21—2011中關(guān)于測試截面主要測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變不超過20%的要求。在整個(gè)加載過程中各測點(diǎn)應(yīng)變變化規(guī)律一致，未出現(xiàn)異常變化的情況，說明測試截面在整個(gè)加載過程中處于良好的彈性工作狀態(tài)。

截面正彎矩測試中，實(shí)測梁體下翼緣受拉平均應(yīng)變?yōu)?0×10－6，理論計(jì)算值為18×10－6，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為2.22，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)不滿足 JTG/T J21—2011中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)＜1.0的要求。

截面負(fù)彎矩測試中，實(shí)測梁體下翼緣受壓平均應(yīng)變?yōu)椋?2×10－6，理論值為－15×10－6，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為2.8，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)不滿足JTG/T J21—2011中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)＜1.0的要求。

根據(jù)實(shí)測應(yīng)變，可推算出截面下緣鋼筋在活載作用下的應(yīng)力幅為32.8 MPa。

3 結(jié)構(gòu)病害成因分析

綜上分析，試驗(yàn)跨梁體跨中及墩頂截面受力基本能滿足設(shè)計(jì)荷載的正常使用要求，梁體整體剛度偏低;但反彎點(diǎn)處測試截面應(yīng)變相對非開裂截面應(yīng)變有明顯增大的現(xiàn)象，且裂縫附近應(yīng)變存在滯后及退化的現(xiàn)象，說明目前結(jié)構(gòu)表面裂縫為受力裂縫。

裂縫出現(xiàn)與以下兩方面的原因有關(guān):

1)由于橋梁原設(shè)計(jì)中反彎點(diǎn)處預(yù)應(yīng)力鋼筋布置不合理，在反彎點(diǎn)處重心偏高且較集中，造成反彎點(diǎn)附近抗彎、抗裂強(qiáng)度不夠，梁體開裂，整體剛度偏低。

2)由于橋梁施工工藝欠佳或養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，造成梁體于施工接縫處收縮開裂，并在后期進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)語

由于橋梁設(shè)計(jì)中反彎點(diǎn)處預(yù)應(yīng)力鋼筋布置不合理、施工工藝欠佳或養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，可能會(huì)造成反彎點(diǎn)附近、施工接縫附近梁體開裂，需引起設(shè)計(jì)人員和養(yǎng)護(hù)人員高度重視。

［1］嚴(yán)國兵，高巖，王石磊.預(yù)制小箱梁受力性能評估及特殊病害成因分析［J］.鐵道建筑，2013(8):1-5.

［2］陳韻，劉伯奇.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁加寬改造后安全評估［J］.鐵道建筑，2015(6):24-26.

［3］中華人民共和國交通部.JTJ 021—89 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1989.

［4］中華人民共和國交通部.JTJ 023—85 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1985.

［5］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［6］中華人民共和國交通部.JTG/T J21—2011 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

(責(zé)任審編 鄭 冰)

U448.21+3

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.06

2015-05-11;

:2015-09-27

馮海龍(1988— )，男，碩士。

1003-1995(2015)11-0021-03