三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁梁端底板斜向裂縫評(píng)估

張勇夫

(1．中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢430034;2．橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430034)

三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁梁端底板斜向裂縫評(píng)估

張勇夫1，2

(1．中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢430034;2．橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430034)

一城市高架橋梁端底板存在斜向裂縫，與常見(jiàn)裂縫形態(tài)、裂縫走向和分布位置不同。對(duì)這種裂縫產(chǎn)生的原因及處置措施尚無(wú)工程案例可供參考。為研究裂縫產(chǎn)生的原因及對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體受力產(chǎn)生的影響，通過(guò)對(duì)梁端預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程進(jìn)行計(jì)算模擬，分析預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中梁端應(yīng)力變化，并通過(guò)荷載試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行驗(yàn)證。分析結(jié)果表明，梁端底板斜向裂縫由預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中應(yīng)力變化所致，裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力影響較小，為非結(jié)構(gòu)裂縫。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁;斜向裂縫;荷載試驗(yàn);結(jié)構(gòu)評(píng)估;受力性能

昆明市呈貢區(qū)呈黃立交橋位于呈黃公路與昆洛路交叉口，由上、下2層高架橋組成。上層高架橋跨徑組合為［4×23+4×23+3×24+(31.5+35.5+42+ 35.5+31.5)+(22.5+3×23)+4×23+4×23］m，全橋共7聯(lián)，其中第4聯(lián)為(31.5+35.5+42+35.5+ 31.5)m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁(單箱三室截面，梁高2.0 m)，其余各聯(lián)均為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁(梁高0.9 m，板寬1.0 m)。下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，梁端設(shè)預(yù)應(yīng)力墩柱式蓋梁，連續(xù)梁中間墩為雙柱式橋墩，不設(shè)蓋梁;橋面寬18.0 m，雙向4車(chē)道，橋面設(shè)中央隔離帶，橋面鋪裝采用60 mm瀝青混凝土+防水層+80 mm混凝土，160型伸縮縫;支座采用盆式橡膠支座。

橋梁主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):①設(shè)計(jì)荷載，公路一級(jí);②抗震標(biāo)準(zhǔn)，地震基本烈度8度，重要修正系數(shù)1.3。

梁體橫斷面布置示意如圖1。

圖1 梁體橫斷面示意(單位:cm)

1 病害狀況

由于設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)管理等方面的原因，在工程實(shí)際中梁體常出現(xiàn)了多種不同性質(zhì)的裂縫，破壞了橋梁的美觀，也影響了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性［1］。

常見(jiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫按其形態(tài)可以分為縱向裂縫、橫向裂縫和斜向裂縫。按照裂縫產(chǎn)生的位置不同，可以分為頂板裂縫、腹板裂縫、底板裂縫、橫隔板裂縫、齒板錨固區(qū)裂縫。底板裂縫又可分為橫向裂縫、縱向裂縫和斜向裂縫。

該橋在結(jié)構(gòu)定期檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)連續(xù)梁2邊跨(第12跨和第16跨)梁端底板及腹板9 m范圍內(nèi)存在斜向開(kāi)裂現(xiàn)象，裂縫最大寬度為0.25 mm。梁體裂縫分布見(jiàn)圖2。

圖2 梁體裂縫分布(裂縫寬度單位:mm;尺寸單位:cm)

從圖2中可以看出梁端裂縫形態(tài)大部分為斜向裂縫，且分布在底板兩側(cè)，部分裂縫有向腹板延伸的趨勢(shì)。裂縫最大長(zhǎng)度3.5 m，最大寬度0.25 mm。

2 橋梁受力狀態(tài)驗(yàn)算及裂縫成因初步分析

根據(jù)圖紙資料，通過(guò)有限元分析軟件Midas/Civil 2015對(duì)該橋建立有限元模型，依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)《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》(JTG D62—2004)［2-3］進(jìn)行驗(yàn)算，相關(guān)材料參數(shù)見(jiàn)表1;正常使用極限狀態(tài)荷載組合下梁體彎矩見(jiàn)圖3;恒載作用下梁體截面下緣主拉應(yīng)力見(jiàn)圖4。

表1 有限元模型材料參數(shù)

圖3 正常使用極限狀態(tài)荷載組合下梁體彎矩(單位:kN·m)

圖4 恒載作用下截面下緣主拉應(yīng)力(單位:Pa)

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，正截面強(qiáng)度應(yīng)符合下式:

式中:Md為作用效應(yīng);r0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);Mu為結(jié)構(gòu)抗力。

由材料截面參數(shù)可算出梁體截面抗力為2.36× 105kN·m，截面抗彎承載力滿足要求。

由于該橋缺少相關(guān)施工資料，故按照連續(xù)箱梁一般張拉順序:先張拉長(zhǎng)束，后張拉短束。參考圖紙中預(yù)應(yīng)力束布置情況，將預(yù)應(yīng)力束張拉分為4個(gè)工況，分別對(duì)應(yīng)距梁端0，2，3.8，9.5 m處的預(yù)應(yīng)力束，在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，通過(guò)采集梁端10 m范圍內(nèi)梁體截面下緣的應(yīng)力變化，推斷梁端底板混凝土開(kāi)裂原因。各級(jí)預(yù)應(yīng)力分段張拉過(guò)程中，梁端10 m范圍內(nèi)梁體截面底緣應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 梁體截面底緣應(yīng)力變化曲線

由圖5可知，在9.5 m處預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，梁體截面底緣8～10 m應(yīng)力變化較大。可推測(cè)梁體底板裂縫是由于預(yù)應(yīng)力分段張拉過(guò)程中，錨后混凝土應(yīng)力變化過(guò)大所致，特別是9.5 m處預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，梁端8 m范圍內(nèi)錨后混凝土應(yīng)力變化較大。

3 基于靜載試驗(yàn)的病害狀態(tài)評(píng)估

為了分析判斷該橋梁端底板斜向裂縫是否為結(jié)構(gòu)性受力裂縫，以及對(duì)該橋結(jié)構(gòu)后期安全運(yùn)營(yíng)是否存在影響，故對(duì)該橋梁端斜向裂縫進(jìn)行荷載試驗(yàn)分析［4-5］。根據(jù)裂縫走向，選取4條較長(zhǎng)裂縫，布置裂縫測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。

圖6 裂縫測(cè)點(diǎn)布置(裂縫寬度單位:mm;尺寸單位:cm)

通過(guò)2輛35t渣土車(chē)對(duì)大里程側(cè)梁端進(jìn)行加載，加載時(shí)車(chē)尾相對(duì)，加載車(chē)盡量靠近外側(cè)防撞墻，進(jìn)行偏載加載。加載輪位從梁端開(kāi)始，每間距1 m進(jìn)行1次加載讀數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在各級(jí)加載狀態(tài)下，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化值普遍偏小。應(yīng)變最大值為93×10－6，位于圖6中R6點(diǎn)，可得試驗(yàn)荷載下裂縫擴(kuò)展量約為0.01 mm，裂縫擴(kuò)展量非常小，換算成鋼筋應(yīng)力約18.6 MPa，可見(jiàn)鋼筋的活載作用下應(yīng)力幅值較小，鋼筋不存在疲勞斷裂的可能。其余各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值均小于70×10－6，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變殘余值均較小，說(shuō)明截面變形處于彈性工作狀態(tài)。另外，本次試驗(yàn)在裂縫末端布置的L1，L8，L9，R1，R9測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值均較小或呈受壓狀態(tài)，說(shuō)明裂縫在試驗(yàn)荷載作用下未見(jiàn)明顯延伸的現(xiàn)象。

推斷該橋梁體底板斜向裂縫為施工階段預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中梁體自身應(yīng)力變化所致，為非結(jié)構(gòu)裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響不大，可從結(jié)構(gòu)耐久性方面對(duì)其進(jìn)行修復(fù)處理。

4 處理措施

通過(guò)分析該橋受力狀態(tài)可知，該橋梁端底板斜向裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力影響較小，但考慮到梁體裂縫對(duì)橋梁耐久性有影響，長(zhǎng)期作用可能引起梁體鋼筋銹蝕。建議對(duì)裂縫寬度＜0.2 mm的裂縫進(jìn)行表面封閉修補(bǔ)，可采用抹漿、鑿槽嵌補(bǔ)、噴漿、填縫的方法使表面裂縫封閉。裂縫寬度＞0.2 mm的裂縫進(jìn)行壓力灌漿修補(bǔ)，可采用水泥灌漿或化學(xué)材料灌漿的方法，將漿液灌滿結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫，也可通過(guò)粘貼鋼板加固法或粘貼碳纖維布法進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)［6-10］。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁常見(jiàn)裂縫病害進(jìn)行了梳理總結(jié)，通過(guò)工程實(shí)例中出現(xiàn)的梁端底板斜向裂縫這一少見(jiàn)裂縫病害，對(duì)該橋進(jìn)行受力狀態(tài)驗(yàn)算分析和靜載試驗(yàn)評(píng)估，得出該橋梁端底板斜向裂縫形成的初步原因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中錨后應(yīng)力變化所致，該處裂縫對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體受力影響較小。

［1］鐘鳴．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2008．

［2］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部．JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2015．

［3］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部．JTG D62—2004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，2004．

［4］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部．JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［5］黃晶．大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋裂縫機(jī)理與對(duì)策研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2009．

［6］蘭衍亮．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋腹板斜裂縫分析及加固研究［D］．廣州:華南理工大學(xué)，2010．

［7］劉冬平．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋加固研究［D］．合肥:合肥理工大學(xué)，2009．

［8］馮海龍，高巖，胡強(qiáng)．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁病害評(píng)估及成因分析［J］．鐵道建筑，2015(11):21-23．

［9］李江山．預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題［J］．公路，2002 (2):4-7．

［10］浙江省交通廳公路管理局．預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)梁橋裂縫調(diào)查分析及防治研究報(bào)告［R］．杭州:浙江省交通廳公路管理局，2000．

Evaluation of Oblique Cracks in Bottom End of Three-span Prestressed Concrete Continuous Box Girder

ZHANG Yongfu1，2
(1．China Railway Bridge Science Research Institute Limited，Wuhan Hubei 430034，China;2．State Key Laboratory of Bridge Structure Health and Safety，Wuhan Hubei 430034，China)

Oblique cracks were found in bottom end of the urban viaduct，which were different from the common crack form，direction and distribution．T he causes and treatment measures of the cracks were not available for reference．In order to study the cause of crack and its influence on the force of bridge structure，the prestressing process of the girder was simulated to analysis the variation of stress．T he mechanical properties of the structure was verified by loading test．Analysis results show that the oblique crack caused by the variation of stress in the prestressing process．T he crack has little influence on the structure of the structure，which it is not structural crack．

Prestressed concrete continuous box girder;Oblique crack;Load test;Structural assessment;M echanical property

U445．71

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．07

1003-1995(2016)12-0024-03

(責(zé)任審編鄭冰)

2016-06-02;

2016-11-01

張勇夫(1990—)，男，碩士。