淺析連續(xù)剛構(gòu)橋的典型病害及成因

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司)

0 前言

連續(xù)剛構(gòu)橋是墩梁固接的連續(xù)梁橋。分主跨為連續(xù)梁的多跨剛構(gòu)橋和多跨連續(xù)-剛構(gòu)橋，均采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，有兩個以上主墩采用墩梁固結(jié)，具有T形剛構(gòu)橋的優(yōu)點。連續(xù)剛構(gòu)橋一般均采用變高度梁，高墩的柔度可以適應(yīng)結(jié)構(gòu)由預(yù)加力、混凝上收縮徐變和溫度變化所引起的縱向位移。這種橋具有結(jié)構(gòu)整體性好、抗震性能優(yōu)越、抗扭潛力大、結(jié)構(gòu)受力合理、橋型簡潔明快等優(yōu)點。然而連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu)，混凝上收縮、徐變、溫度變化，預(yù)應(yīng)力作用、墩臺不均勻沉降等引起的附加內(nèi)力對結(jié)構(gòu)的影響較大。通過統(tǒng)計，隨著運營期的增加，大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋出現(xiàn)的病害主要集中在兩個方面：其一是跨中下?lián)?；其二是箱梁混凝土開裂。

1 病害特征

1）跨中下?lián)?/p>

跨中下?lián)系奶攸c：

①橋梁實際撓度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于按照規(guī)范計算的預(yù)測值；

②撓度過大與腹板斜向裂縫具有共生性，部分橋梁也出現(xiàn)底板橫向裂縫與縱向裂縫；

③撓度過大與腹板斜向裂縫一般在橋梁運營4～5年后顯現(xiàn)，腹板斜向裂縫一般先在L/4附近出現(xiàn)，逐漸向跨中發(fā)展，個別橋梁繼而跨中底板出現(xiàn)橫向裂縫；

⑤個別橋梁下?lián)犀F(xiàn)象在運營幾年甚至十幾年后基本呈線性持續(xù)發(fā)展，沒有穩(wěn)定的趨勢。

2）箱梁裂縫

箱梁混凝土開裂分為結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫。主要裂縫形態(tài)如下：

①腹板斜裂縫；

②底板縱向、橫向裂縫；

③底板錨固齒板后端的橫向裂縫與斜向裂縫；

④頂板縱向裂縫。

腹板斜裂縫特點

①主拉應(yīng)力引起的開裂，是典型的結(jié)構(gòu)性裂縫。

②大多數(shù)橋梁L/8到3L/4之間腹板斜向裂縫呈現(xiàn)上寬下窄特征，位置靠近腹板的上托板，裂縫與水平夾角一般為15～35度，靠近跨中部位腹板裂縫則基本呈水平形狀。少數(shù)橋梁的腹板斜向裂縫從錨固齒板后底板處產(chǎn)生，并逐漸向上發(fā)展，一直到達(dá)翼板，裂縫呈現(xiàn)下寬上窄的特征。

箱外底板縱向裂縫及箱內(nèi)頂板縱向裂縫

①箱外底板縱向裂縫和箱內(nèi)頂板縱向裂縫經(jīng)常出現(xiàn)在合龍段及附近節(jié)段，且數(shù)量眾多，分布集中。

底板錨固齒板后端的橫向裂縫與斜向裂縫

對于節(jié)段施工的橋梁，在橋梁運營一個時段后，底板上錨固跨中連續(xù)索的齒塊后端會出現(xiàn)橫向與斜向裂縫，部分與腹板斜裂縫相接。

2 病害成因分析

1）跨中下?lián)?/p>

設(shè)計因素

①對混凝土徐變的影響程度及長期性估計不足。

②預(yù)應(yīng)力度設(shè)計不夠，預(yù)應(yīng)力只夠使混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力而沒有富余。預(yù)應(yīng)力度與混凝土徐變具有相輔相成性。預(yù)應(yīng)力度較小，則徐變變形可能增大，導(dǎo)致主梁下?lián)献冃渭哟蟆７粗?，混凝土徐變變形加大，預(yù)應(yīng)力束的應(yīng)力損失也相應(yīng)加大，進(jìn)一步減小了預(yù)應(yīng)力度，從而導(dǎo)致主梁下?lián)献冃沃导哟蟆?/p>

③合理設(shè)置預(yù)拱度值。當(dāng)預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致的長期變形小于結(jié)構(gòu)自重以及部分活荷載導(dǎo)致的長期變形時，需要事先設(shè)置一定的預(yù)拱度來抵消這種變形，從而保證橋梁長期運營后的線形平順。

④普通鋼筋配置不合理，尤其是受力復(fù)雜部位。

施工因素

①預(yù)應(yīng)力施加控制不嚴(yán)，灌漿質(zhì)量不合格等。

②縱向預(yù)應(yīng)力管道不平順、管道內(nèi)漏漿。

③豎向預(yù)應(yīng)力錨具不垂直，與墊板間有雜物。

④橫向預(yù)應(yīng)力定位鋼筋不夠，施工時管道上浮造成偏位，產(chǎn)生頂板橫向裂縫。

2）腹板斜裂縫

①由于腹板處彎起鋼束張拉時，腹板混凝土沿鋼束方向受壓，垂直鋼束方向混凝土受到泊松比作用會產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而引起垂直于預(yù)應(yīng)力方向的斜裂縫。

②撓度過大與腹板斜向裂縫具有共生性，即在出現(xiàn)撓度過大的橋梁無一例外地出現(xiàn)腹板開裂現(xiàn)象，部分橋梁也出現(xiàn)底板橫向裂縫與縱向裂縫。

③長期受力作用下，砼產(chǎn)生徐變，并逐漸增加。當(dāng)砼徐變較大時結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生附加被動應(yīng)力，造成彎矩重分布，箱梁腹板剪應(yīng)力加大，從而產(chǎn)生腹板裂縫。

④溫度對砼產(chǎn)生裂縫的作用機(jī)理極其復(fù)雜。一方面，砼由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生溫度應(yīng)力和應(yīng)變；另一方面，結(jié)構(gòu)外約束和砼內(nèi)部不同部分的自約束阻止溫度應(yīng)變，一旦溫度應(yīng)力超過砼能承受的極限抗拉強(qiáng)度，就會產(chǎn)生不同程度的裂縫。

3）箱外底板縱向裂縫及箱內(nèi)頂板縱向裂縫

1、頂、底板縱向裂縫共同原因

1）合龍段附近節(jié)段與其他節(jié)段相比，型鋼布置較多，另外相鄰節(jié)段橫向約束，導(dǎo)致混凝土橫向壓應(yīng)力儲備往往會偏小，活載作用導(dǎo)致縱向裂縫產(chǎn)生。

2）合龍段附近節(jié)段施工準(zhǔn)備工期較其他節(jié)段長，相鄰節(jié)段混凝土齡期差別大，新舊節(jié)段混凝土收縮不同步，導(dǎo)致縱向裂縫產(chǎn)生。

3）運營期，長期重車輪壓導(dǎo)致頂、底板橫向彎矩過大，箱梁內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生溫度應(yīng)力，不同梁段間收縮效應(yīng)不同。

4）頂、底板橫向彎矩過大，無橫向預(yù)應(yīng)力、箱梁橫向彎曲空間效應(yīng)、板厚偏小，橫向配筋不足，箱梁內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生溫度應(yīng)力等。

2、頂、底板縱向裂縫的單獨成因

（1）底板

1）為了減輕結(jié)構(gòu)自重，箱梁底板在跨中一般比較薄。預(yù)應(yīng)力鋼束橫向布置間距較小，在此截面的挖空率非常大，截面削弱較大，加之如橫向普通鋼筋配置不強(qiáng)，此部分混凝土澆筑質(zhì)量又有問題，則在強(qiáng)大的底板縱向預(yù)應(yīng)力束全部張拉錨固時，底板混凝土因承受不了底板束的壓力而導(dǎo)致開裂。

2）合龍段底板縱向裂縫：一種是在合龍段底板沿順橋向出現(xiàn)肉眼可見的縱向裂縫；第二種就是從底板厚度方向來看，在預(yù)應(yīng)力管道中間或上下位置，也就是水平面積最小的位置形成大面積水平裂縫，上下分層，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致混凝土剝離。預(yù)應(yīng)力筋的空間效應(yīng)以及材料泊松比效應(yīng)應(yīng)該是導(dǎo)致第一種與第二種形式破壞產(chǎn)生的主要原因。同時，底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋在豎直面內(nèi)布置為拋物線形的曲線，加上底板預(yù)應(yīng)力索定位偏差導(dǎo)致的局部曲率，從而縱向預(yù)應(yīng)力會對底板產(chǎn)生向下的徑向分力，由于現(xiàn)在箱梁底板一般較寬，在橫向底板可以看成彈性支撐在腹板上的受彎梁，此徑向力與自重等共同作用下其下表面必然會產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而形成縱向裂縫，同時在縱向徑向力作用下預(yù)應(yīng)力管道之間混凝土?xí)a(chǎn)生垂直于底板的拉應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度，底板將沿管道截面積削弱的部位向下崩裂，形成上下分層。

（2）頂板

1）主梁頂板在較長懸臂箱梁翼板的根部，恒載、活載產(chǎn)生的負(fù)彎矩均較大，頂板跨中的活載正彎矩較大，橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線布設(shè)不可能在懸臂根部布置在頂板上緣而在跨中卻布置于頂板下緣。

2）在澆筑完節(jié)段混凝土后即張拉完該節(jié)段橋面橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，由于應(yīng)力分布和疊加，橋面板中橫向預(yù)應(yīng)力分布極不均勻，這也是造成橋面板出現(xiàn)局部縱向開裂的原因之一。

4）底板錨固齒板后端的橫向裂縫與斜向裂縫

1）齒板錨固集中力與外荷載整體彎矩在齒板后端產(chǎn)生了耦合，但是許多橋梁設(shè)計計算中忽略了集中力導(dǎo)致齒板后端的拉應(yīng)力，因而計算拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實際拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致了裂縫的出現(xiàn)。

2）預(yù)應(yīng)力損失導(dǎo)致構(gòu)件壓應(yīng)力儲備不足，在外力荷載下產(chǎn)生開裂。

3）開裂橋跨為大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫與錨頭所處截面位置非常接近，可能由于錨下混凝土的局部效應(yīng)導(dǎo)致開裂。

4）底板橫向裂縫位于施工拼接縫處，該處出現(xiàn)橫向裂縫的原因多由于施工接頭處理不好，成為薄弱截面，在縱向彎矩、混凝土收縮或較大溫差應(yīng)力等作用下開裂。

5）橫向裂縫并未在施工拼接縫處，可能是彎曲裂縫，在分段式箱梁中，一般出現(xiàn)在接縫內(nèi)或接縫附近。彎曲裂縫一般很小，結(jié)構(gòu)不受損傷，但在外荷載反復(fù)作用下 ( 汽車動力荷載及溫度梯度 ) 裂縫有可能會擴(kuò)大。

3 結(jié)語

1、除施工缺陷外，混凝土開裂和主跨跨中區(qū)段下?lián)戏冗^大是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋最常見的兩種病害形式，產(chǎn)生病害的原因往往不是單一的。

2、針對混凝土開裂和跨中區(qū)段下?lián)戏冗^大，應(yīng)從設(shè)計、施工、運營階段綜合考慮，完善設(shè)計理念、加強(qiáng)施工質(zhì)量控制、重視營運管理，提高橋梁的耐久性和安全性。