陜西省連續(xù)剛構(gòu)橋底板縱向裂縫調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析及防裂建議

鄔曉光，賀 攀

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

連續(xù)剛構(gòu)橋跨越能力強(qiáng)，在100～200 m跨徑范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。然而，大量文獻(xiàn)報(bào)道[1-5]，這類橋型開裂普遍，底板縱向裂縫經(jīng)常集中出現(xiàn)，更有甚者，在某些橋梁施工中出現(xiàn)底板崩裂的事故，引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[6～14]，但相關(guān)研究基本限于單座橋梁，代表性與規(guī)律性不足。本文在對陜西省連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板縱向裂縫全面調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析了陜西省連續(xù)剛構(gòu)橋建設(shè)現(xiàn)狀以及縱向裂縫的開裂形態(tài)，研究了連續(xù)剛構(gòu)橋底板縱向裂縫的開展規(guī)律，從設(shè)計(jì)角度對病害原因進(jìn)行了初步分析，并提出了合理的防裂建議，可為后期連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)及制定處治對策提供技術(shù)支持，也可為全國其他地區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 陜西省連續(xù)剛構(gòu)橋底板縱向裂縫調(diào)研統(tǒng)計(jì)

對陜西省范圍內(nèi)在建或已建的連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行了調(diào)研和資料收集，共調(diào)研連續(xù)剛構(gòu)橋86座，計(jì)153幅，其中大多數(shù)分布在高速公路上，僅少數(shù)橋梁位于一級或二級路上。其中發(fā)生底板縱向開裂的橋梁達(dá)47座之多，本文對裂縫的開裂位置及形態(tài)做了整理。

1.1 連續(xù)剛構(gòu)橋底板縱向裂縫開裂調(diào)查

本文從陜西省高速集團(tuán)、陜西省交通集團(tuán)、陜西省公路局及各地市公路局日常巡檢、養(yǎng)護(hù)記錄中獲取數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)地調(diào)研的形式，收集實(shí)橋病害資料。從收集到的資料中可以發(fā)現(xiàn)：連續(xù)剛構(gòu)橋底板裂縫大多數(shù)沿底板預(yù)應(yīng)力孔道呈縱橋向開裂，如圖1～圖4所示。

圖1某橋中跨L/4位置處縱向裂縫圖2某橋中跨L/3位置處縱向裂縫

圖3某橋中跨跨中部位處縱向裂縫圖4某橋中跨合龍段處縱向裂縫

1.2 不同地區(qū)間連續(xù)剛構(gòu)橋底板開裂程度差異

如圖5所示，在底板存在縱向開裂現(xiàn)象的47座橋梁中，14座橋梁位于陜北地區(qū)，占該地區(qū)在役連續(xù)剛構(gòu)橋梁總數(shù)(17座)的82.35%；24座橋梁位于關(guān)中地區(qū)，占該地區(qū)在役連續(xù)剛構(gòu)橋梁總數(shù)(33座)的72.73%；9座橋梁位于陜南地區(qū)，占該地區(qū)在役連續(xù)剛構(gòu)橋梁總數(shù)(24座)的37.5%?？梢?，陜西省連續(xù)剛構(gòu)橋梁底板縱向開裂普遍程度：陜北地區(qū)>關(guān)中地區(qū)>陜南地區(qū)。

圖5 陜西省連續(xù)剛構(gòu)橋地域分布及開裂調(diào)研

1.3 連續(xù)剛構(gòu)橋底板開裂程度與跨徑之間的關(guān)系

如圖6所示，跨徑小于100 m的開裂橋梁有6座，占該跨徑范圍內(nèi)在役橋梁總數(shù)的40%；跨徑100～140 m(100≤L<140)的開裂橋梁17座，占該跨徑范圍內(nèi)在役橋梁總數(shù)的56.67%；跨徑140～180 m(140≤L<180)的開裂橋梁22座，占該跨徑范圍內(nèi)在役橋梁總數(shù)的57.89%；跨徑大于180 m的開裂橋梁2座，占該跨徑范圍內(nèi)在役橋梁總數(shù)的66.67%。由于跨徑大于180m的連續(xù)剛構(gòu)橋基數(shù)較少，剔除該樣本后可以看出：底板縱向裂縫開裂現(xiàn)象極為普遍，跨徑越大，開裂現(xiàn)象越明顯。

圖6不同跨徑范圍內(nèi)底板開裂調(diào)研圖7不同位置處底板開裂調(diào)研

1.4 不同截面位置處底板開裂差異

就開裂位置而言，在47座開裂橋梁的L/4、L/3及跨中合龍段三個(gè)截面位置附近，對裂縫開裂形態(tài)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。L/4位置處，共27座橋梁底板出現(xiàn)裂縫，開裂率為57.47%；L/3位置處，共26座橋梁底板出現(xiàn)裂縫，開裂率為55.31%；跨中位置處，共41座橋梁底板出現(xiàn)裂縫，開裂率為87.23%。這說明，跨中及合龍段部位是底板縱向裂縫開展的重災(zāi)區(qū)。

1.5 連續(xù)剛構(gòu)橋底板縱向裂縫開裂形態(tài)

箱梁底板L/4位置處共觀察到縱向裂縫239條，裂縫平均長度為1.79 m，平均寬度為0.28 mm；L/3位置處共觀察到縱向裂縫266條，裂縫平均長度為1.68 m，平均寬度為0.19 mm；跨中及合龍段位置處共觀察到縱向裂縫629條，裂縫平均長度為1.78 m，平均寬度為0.22 mm。總體而言，3個(gè)位置處縱向裂縫的總體平均長度基本相同，L/4位置處，裂縫稀疏，但裂縫寬度較寬，其余兩個(gè)位置，裂縫則更為細(xì)密；跨中位置處的裂縫數(shù)量進(jìn)一步驗(yàn)證了1.4中的結(jié)論。

如圖8～圖10所示，對裂縫寬度及位置樣本進(jìn)一步篩選，并剔除單一樣本，3個(gè)位置處裂縫的寬度均廣泛分布在0.1～0.2 mm；L/4位置處，68.2%的裂縫長度在1.5～1.8 m，寬度在0.3 mm以上的裂縫長度大致為1.75 m；L/3位置處，79.7%的裂縫長度在1.8～2.0 m，其余裂縫數(shù)量較少可忽略；跨中部位，77.1%的裂縫長度在1.6～2.1 m，寬度在0.2～0.25 mm以上的裂縫長度大致為1.64 m。對有效樣本總結(jié)來看，從L/4到跨中部位，裂縫的開展寬度不大，但裂縫數(shù)量逐漸增加，裂縫長度也大致呈遞增規(guī)律。

圖8 底板L/4位置處縱向裂縫開裂形態(tài)統(tǒng)計(jì)圖

圖9 底板L/3位置處縱向裂縫開裂形態(tài)統(tǒng)計(jì)圖

圖10 底板跨中位置處縱向裂縫開裂形態(tài)統(tǒng)計(jì)圖

2 連續(xù)剛構(gòu)橋底板縱向裂縫開裂原因分析

根據(jù)國內(nèi)學(xué)者對連續(xù)剛構(gòu)橋底板縱向裂縫開展及崩裂機(jī)理的大量研究，并結(jié)合陜西省連續(xù)剛構(gòu)橋的具體現(xiàn)狀，對其底板縱向裂縫開裂的成因進(jìn)行了分析總結(jié)：

(1)由于連續(xù)剛構(gòu)橋均為單箱單室薄壁箱梁結(jié)構(gòu)，橫向?qū)挾容^大，箱梁在自重作用下，底板受力狀態(tài)類似兩端嵌固的板梁，橫向底板受彎，下緣表面混凝土受拉，成為底板開裂的一個(gè)重要原因，如圖11所示。

圖11 底板在自重作用下橫向受力示意圖

(2)預(yù)應(yīng)力鋼束順箱梁底板線型曲線布置，呈“圓拱形”，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后，形成向圓弧內(nèi)側(cè)的下崩力，作用在底板上，作用力大小可根據(jù)經(jīng)典徑向力公式q=N/R(其中R為曲率半徑)計(jì)算得到。徑向力q集中分布在管道與混凝土接觸面π/2弧度范圍內(nèi)，可分解形成水平方向的橫向拉力。從根部至跨中部位，曲率半徑逐漸變小，相應(yīng)的徑向力相比其他位置也更大，使得跨中部位底板開裂嚴(yán)重，如圖12所示。

圖12 徑向力作用下底板受力示意圖

(3)理想狀態(tài)下，變高度梁底板下緣都是曲線布置，但實(shí)際施工中，均是“以直代曲”的折線形式布置，在梁段折角處，鋼束走向陡變，產(chǎn)生折角力，使得徑向力在此處集中，進(jìn)一步影響底板受力，如圖13所示。

圖13 底板鋼束折角受力示意圖

(4)連續(xù)剛構(gòu)橋施工時(shí)，由于質(zhì)量控制水平不一，底板鋼束波紋管、定位鋼筋的定位誤差相差懸殊，或者澆筑混凝土?xí)r，波紋管在流動(dòng)混凝土的作用下上浮，與設(shè)計(jì)產(chǎn)生偏差。造成每個(gè)塊段之間鋼束彎曲有弧度，產(chǎn)生徑向外崩力，加重了底板開裂，如圖14所示。

圖14 定位鋼筋誤差或波紋管上浮

(5)混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性能差，在日照輻射、氣溫等外界因素作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生非線性分布的溫度梯度。在溫度應(yīng)力的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度變形，引起底板開裂。由于陜西省呈南北狹長分布，造成三個(gè)地區(qū)氣候環(huán)境的不同，溫度荷載模式差別很大。采用規(guī)范中的溫度荷載模式進(jìn)行連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)，使得底板橫向溫度應(yīng)力產(chǎn)生差異，造成陜北、關(guān)中、陜南地區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋開裂程度不一。

(6)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某些橋梁在設(shè)計(jì)中，存在著未考慮設(shè)置防崩裂鋼筋、防崩裂鋼筋未封閉或者橫向鋼筋設(shè)置不足的問題，造成抗力不足，巨大的徑向力作用在底板上，造成底板開裂，更有甚者，底板剝離崩裂。

(7)當(dāng)?shù)装瀹a(chǎn)生裂縫或崩裂時(shí)，并非達(dá)到防崩鋼筋本身的抗拉強(qiáng)度ftd，而是防崩鋼筋被“拔出”所致，也即達(dá)到了其錨固強(qiáng)度f錨，且ftd>f錨。進(jìn)行防崩裂鋼筋的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往忽視這一點(diǎn)，簡單的將防崩鋼筋的抗拉強(qiáng)度代入計(jì)算，導(dǎo)致防崩鋼筋設(shè)計(jì)不足。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

根據(jù)陜西省連續(xù)剛構(gòu)橋的調(diào)研結(jié)果及底板縱向裂縫成因分析可知：

(1)連續(xù)剛構(gòu)橋底板產(chǎn)生縱向裂縫是十分普遍的現(xiàn)象。受自重及預(yù)應(yīng)力鋼束張拉徑向力的作用，箱梁底板橫向受拉開裂，由于跨中曲率半徑最小，徑向力效應(yīng)最為明顯，造成連續(xù)剛構(gòu)橋跨中部位成為縱向裂縫開展的重災(zāi)區(qū)；

(2)陜西省連續(xù)剛構(gòu)橋底板縱向裂縫的開裂寬度基本集中在0.1～0.2mm范圍內(nèi)，長度在2m范圍內(nèi)，運(yùn)營中應(yīng)加強(qiáng)裂縫的觀測，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)養(yǎng)護(hù)，對于寬度大于0.2mm的裂縫，應(yīng)立即做灌縫封閉處理，做好持續(xù)跟蹤觀測；

(3)陜西省地處西北，受自然條件的影響，晝夜溫差大，加之其狹長的地形，造成陜北、關(guān)中、陜南地區(qū)溫度差異明顯，采用規(guī)范中規(guī)定的溫度梯度模式進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)，使得三個(gè)地區(qū)橋梁開裂程度產(chǎn)生明顯不同。

3.2 防裂建議

底板縱向裂縫嚴(yán)重影響著橋梁安全和結(jié)構(gòu)耐久性，故在今后連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中要做好以下防裂設(shè)計(jì)：

(1)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對跨徑在140 m以上的連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁關(guān)鍵截面，特別是對跨中截面進(jìn)行空間橫向受力分析；

(2)充分考慮底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉及預(yù)應(yīng)力孔道定位偏差產(chǎn)生的徑向力對箱梁底板受力的影響；

(3)底板防崩裂鋼筋應(yīng)采用封閉型箍筋設(shè)計(jì)，確定防崩裂鋼筋的用量時(shí)，應(yīng)代入封閉鋼筋與混凝土的錨固強(qiáng)度而非鋼筋的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算：

(4)對于不同氣候環(huán)境、溫度梯度差異較大的地區(qū)，進(jìn)行連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在規(guī)范的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高安全系數(shù)，或在不突破規(guī)范的情況下，采用實(shí)測的溫度梯度進(jìn)行驗(yàn)算，加大安全儲(chǔ)備；

(5)建議設(shè)計(jì)時(shí)，考慮在連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中，也即箱梁最大懸臂處增設(shè)橫隔板，以期改善跨中底板受力，減少縱向裂縫的產(chǎn)生。

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