預(yù)應(yīng)力混凝土橋箱梁底面橫向裂縫分析

伍 靜，蒙 波

1 工程背景

某互通橋梁位于某高速公路，由主線橋和A、B、B1、B2、C五個匝道組成（見圖1）。其中主線橋采用分離式設(shè)計，橋梁全長左幅345．0 m、右幅321．0 m，單幅橋?qū)?2．25 m。橋面橫向布置為：0．5 m（防撞護(hù)欄）＋10．75 m（行車道）＋0．5 m（防撞護(hù)欄）。橋梁上部結(jié)構(gòu)均為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，截面為單箱單室。橋梁具體信息見表1。

下部結(jié)構(gòu)除B1匝道墩柱為鋼筋混凝土單柱墩外，其它橋梁均采用鋼筋混凝土雙柱式橋墩，擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋臺均為重力式U型橋臺，支座采用板式橡膠支座。

圖1 橋梁平面示意圖

表1 橋梁跨徑組合信息

橋面鋪裝采用4 cm抗滑表層＋6 cm中粒式瀝青混凝土＋防水層＋5 cm水泥混凝土鋪裝層，并在5 cm水泥混凝土中布設(shè)鋼筋網(wǎng)。伸縮縫均采用EM－80淺埋式伸縮縫。橋梁設(shè)計荷載為 “汽車－超20、掛車 －120”。

在橋梁營運(yùn)過程中，歷次檢測發(fā)現(xiàn)該橋主要存在病害及處治方法如下：

（1）第一次定期檢查發(fā)現(xiàn)該橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁存在較多的橫橋向裂縫，主要包括底板橫向裂縫，部分裂縫延伸至腹板呈“L”形或“U”型，裂縫多位于跨中區(qū)域或附近、最寬 0．24 mm（見圖 2、圖 3）。部分裂縫初步判定為彎曲受力裂縫，對橋梁承載能力造成不利影響。根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》［1］（JTG H11—2004），橋梁的總體技術(shù)狀況等級為“三類”，處于較差狀態(tài)。

圖2 左幅第12跨箱梁底面縱向裂縫

圖3 B2匝道第2跨箱梁底面縱向裂縫

根據(jù)第一次檢查結(jié)果對該橋病害進(jìn)行了處治，對裂縫寬度＜0．15 mm時采用表面封閉法修補(bǔ)，涂刷專用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封閉；裂縫寬度≥0．15 mm時，采用壓力注漿法修補(bǔ)。并對部分橋跨裂縫較多的進(jìn)行了粘貼碳纖維布（見圖 4、圖 5）［2］。

圖4 箱梁底面碳纖維加固

圖5 箱梁腹板碳纖維加固

（2）維修處治后，為進(jìn)一步了解該橋裂縫修補(bǔ)后的發(fā)育情況，抽選了主線橋左幅第9～13跨、右幅第8、9、11跨和B2匝道橋第2、3跨進(jìn)行箱梁裂縫專項檢查。發(fā)現(xiàn)在橋梁跨中區(qū)域仍存在較多新開裂的橫向裂縫，部分裂縫延伸至腹板形成“L”型，裂縫寬度多在0．10 mm～0．16 mm之間，部分跨梁底碳纖維布處理后，仍在碳纖維布條間發(fā)現(xiàn)橫向裂縫（見圖6）［1］。

2 現(xiàn)場檢測結(jié)果

為進(jìn)一步分析該橋裂縫產(chǎn)生的原因，對該橋進(jìn)行了如下專項檢測：

2．1 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測

混凝土強(qiáng)度不足是引起結(jié)構(gòu)開裂的原因之一。為準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度，采用鉆芯法對主梁混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測（見圖7）。根據(jù)橋梁病害情況及受力特點(diǎn)，本次選取主線左幅13跨右側(cè)腹板進(jìn)行鉆芯取樣［3］。

根據(jù)鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程的相關(guān)要求，對所取芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測［3］，結(jié)果見表2。

圖6 主線橋左幅第12跨箱梁底面裂縫分布圖

圖7 鉆芯取樣測區(qū)位置

表2 右腹板鉆芯取樣混凝土強(qiáng)度試驗結(jié)果表

從試驗結(jié)果來看，3個試件的推算強(qiáng)度值分別是 38．7 MPa、52．8 MPa和 65．4 MPa，依據(jù)《鉆心法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》［3］（CECS03：2007）中第3．2．5的相關(guān)規(guī)定，單個構(gòu)件的混凝土最終推算強(qiáng)度為 38．7 MPa，小于設(shè)計強(qiáng)度 40．0 MPa。

2．2 橋面鋪裝層厚度檢測

橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)和厚度的實(shí)際狀況可能與原設(shè)計存在較大的差異。為了了解各橋鋪裝層的實(shí)際施工厚度，為橋梁加固設(shè)計和承載能力計算提供數(shù)據(jù)支撐。對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)厚度采用鉆芯取樣的方法進(jìn)行檢測（見圖8）。橋面鋪裝層鉆孔位置的選取，原則上每座橋梁順橋向選取5個斷面，每個斷面橫橋向布置3個測點(diǎn)，橋梁長度較短的可適當(dāng)減少，但不應(yīng)少于3個斷面，共計81個測點(diǎn)。

圖8 橋面厚度總偏差分布圖

通過對橋面瀝青鋪裝層厚度檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本次橋面鋪裝層厚度81個測點(diǎn)中總偏差介于0 cm～3 cm居多，共計78處，占總測點(diǎn)的96．3%。進(jìn)一步計算分析，橋面鋪裝實(shí)測厚度較原設(shè)計值厚約1．7 cm，從而造成箱梁跨中下緣增加0．008 MPa的拉應(yīng)力。

2．3 預(yù)應(yīng)力損失測算

為進(jìn)一步了解該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁目前的應(yīng)力分布狀況，推斷該部位受力狀態(tài)，采用應(yīng)力釋放的方法對該橋進(jìn)行恒載作用狀態(tài)下的應(yīng)力量測。

鋼筋應(yīng)力釋放法是指在橋梁在自重、預(yù)應(yīng)力等持久荷載作用下，結(jié)構(gòu)及其中的普通鋼筋存在較大的應(yīng)力，通過切割普通鋼筋進(jìn)行應(yīng)力釋放，則釋放出的應(yīng)力值就等于結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的應(yīng)力值，由此分析結(jié)構(gòu)的實(shí)際有效預(yù)應(yīng)力或結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力度，從而對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價［4］。

（1）測點(diǎn)布置。選取主線橋左幅第13跨正彎矩控制截面進(jìn)行應(yīng)力測量，截面的位置示意圖如圖9所示。應(yīng)力測點(diǎn)選取箱梁底板底面上層順橋向鋼筋進(jìn)行試驗，應(yīng)力測試方向與橋梁縱軸線平行，用以測試縱向彎曲應(yīng)力。

圖9 應(yīng)力釋放位置示意圖

（2）測試結(jié)果。采用橋梁專用有限元計算分析軟件 MIDAS／Civil 2012 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算［5］，通過對模型施加自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力及收縮徐變荷載，求得結(jié)構(gòu)在恒載作用下［6］的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖如圖10所示。

圖10 恒載作用下應(yīng)力圖

通過計算可得，箱梁底板應(yīng)力釋放位置恒載作用下的最大壓應(yīng)力值為 4．53 MPa［6］，即最大壓應(yīng)變ε＝139．4με?，F(xiàn)場實(shí)測鋼筋應(yīng)變εg＝122με，因此主線橋有效預(yù)應(yīng)力度約為88%。

通過應(yīng)力釋放試驗，此推定預(yù)應(yīng)力鋼束損失約為12%。考慮到該方法目前無相關(guān)規(guī)程可依，因此該測試結(jié)果僅供參考。

2．4 承載能力試驗

結(jié)合本橋受力特點(diǎn)和現(xiàn)場病害情況，選取左幅第3聯(lián)（跨徑組合為3×25 m＋30 m＋25 m）進(jìn)行荷載試驗，利用橋梁專用有限元計算分析軟件MIDAS／Civil計算在設(shè)計荷載（汽車－超20、掛車－120）作用下的最大內(nèi)力值［7－8］，并根據(jù)測試截面（見圖11）影響線進(jìn)行等效加載［4－7］。

圖11 荷載試驗測試截面位置（單位：cm）

根據(jù)計算結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，試驗測試工況為：工況1（第13跨最大正彎矩工況），工況1（12＃墩頂截面最大負(fù)彎矩工況），工況3（第12跨最大正彎矩工況）。試驗時應(yīng)變測點(diǎn)布置在箱梁底板及腹板，具體位置見圖12，撓度測點(diǎn)布設(shè)在各跨跨中、墩頂及四分點(diǎn)位置。

圖12 應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖（單位：cm）

表3 靜載試驗測試結(jié)果

通過對每個試驗工況作用下的數(shù)據(jù)分析計算，橋梁試驗跨主要控制測點(diǎn)結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均小于1，主要測點(diǎn)相對殘余變位或相對殘余應(yīng)變均小于20%；但試驗過程中通過對第12跨跨中截面選取的10條橫向裂縫寬度的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，裂縫寬度隨荷載等級的增加呈現(xiàn)增大趨勢，屬于結(jié)構(gòu)裂縫，對結(jié)構(gòu)承載力有一定影響。

3 原因分析

3．1 橋梁設(shè)計原因

根據(jù)設(shè)計圖紙，以主線橋第3聯(lián)為例進(jìn)行計算，該聯(lián)為3×25 m＋30 m＋25 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，計算結(jié)果顯示，在正常使用極限狀態(tài)下，該橋30 m跨跨中下緣拉應(yīng)力達(dá)3．06 MPa，已不滿足部分預(yù)應(yīng)力A類混凝土構(gòu)件要求。即在理論計算上存在開裂的可能。現(xiàn)場檢查中也發(fā)現(xiàn)，該跨跨中附近存在大量橫向、L型、U型裂縫，裂縫形態(tài)與彎曲受力裂縫一致。具體可見圖 13［8－15］。

根據(jù)橋梁設(shè)計單位提供的計算書，30 m跨徑跨中位置正常使用極限狀態(tài)組合2（移動荷載作用下（汽車－超20）＋永久荷載（結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮及徐變影響力）＋溫度荷載），法向拉應(yīng)力為3．39 MPa，正常使用極限狀態(tài)組合3作用下（移動荷載（掛—120）＋永久荷載（結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力）），法向拉應(yīng)力為4．41 MPa，均超過了規(guī)范對A類構(gòu)件的容許應(yīng)力 2．34 MPa。

圖13 主線橋左幅第3聯(lián)正常使用極限狀態(tài)截面下緣正應(yīng)力包絡(luò)圖

綜上可得，橋梁在原設(shè)計狀態(tài)下應(yīng)力較大，存在開裂可能。同時，設(shè)計時所依據(jù)的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》［5］（JTJ 023—1985）中規(guī)定對缺少實(shí)測資料時，對溫度梯度僅考慮橋面板升溫5℃，與現(xiàn)行規(guī)范有明顯差距，也是應(yīng)力儲備考慮不足的原因之一。

3．2 橋梁施工原因

（1）混凝土強(qiáng)度偏低：鉆芯取樣法的測試混凝土強(qiáng)度最低僅為 38．7 MPa，小于設(shè)計強(qiáng)度 40．0 MPa，混凝土強(qiáng)度偏低在一定程度上增加了開裂風(fēng)險。

（2）橋面鋪裝層偏厚：實(shí)測橋面鋪裝厚度明顯大于設(shè)計值，從而造成箱梁跨中下緣增加了0．008 MPa左右的拉應(yīng)力。

（3）其它可能的原因：施工時的預(yù)應(yīng)力張拉不足或存在損失（應(yīng)力釋放結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力鋼束損失約為12%）、混凝土澆注質(zhì)量差（梁體外觀存在大量的蜂窩、露筋、混凝土不平整）。

4 結(jié) 論

（1）在設(shè)計階段需采用不同的方法計算，在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時采用平面分析，而在施工階段需采用空間分析驗算的結(jié)論。必要時采用實(shí)體模型對箱梁的底板下緣縱向正應(yīng)力、頂板下緣橫向正應(yīng)力進(jìn)行驗算［9］。

（2）施工階段應(yīng)加強(qiáng)對預(yù)應(yīng)力損失的控制和檢測，選擇合理的張拉器具、規(guī)范張拉工序，做到預(yù)應(yīng)力張拉值和均勻度滿足規(guī)范要求。

（3）當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板較多橫向受力裂縫時，說明該橋承載能力下降，應(yīng)立即采取相應(yīng)方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)（如粘貼鋼板等方法），進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)承載能力。

（4）施工階段要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行施工作業(yè)，施工質(zhì)量的低下是造成該橋裂縫產(chǎn)生的主要原因之一。

［1］ 公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范：JTG H11—2004［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［2］ 公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范：JGJ／T J22—2008［S］．北京：人民交通出版社，2008．

［3］ 鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程：CECSO3：2007［S］．北京：人民交通出版社，2008．

［4］ 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司．midas Civil2010分析設(shè)計原理手冊［M］．北京：北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司．

［5］ 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范：JTJ 023—85［S］．北京：人民交通出版社，1985．

［6］ 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范：JTJ 021—89［S］．北京：人民交通出版社，1989．

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