空心板橋橫向裂縫病害分析及加固方案探討

王金暖

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

1 橋梁概況及主要病害

某高速公路橋梁，上部結(jié)構(gòu)為先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋梁與河道中心線斜交15°。橋梁總長(zhǎng)120.0m，跨徑組合為4×20.0m。橋面總寬為26.0m，橋?qū)挷贾脼?.5m防撞護(hù)欄+11.5m車行道+0.75m波形護(hù)欄+0.5m中央分隔帶+0.75m波形護(hù)欄+11.5m車行道+0.5m防撞護(hù)欄。

該橋分為左、右兩幅，上部結(jié)構(gòu)每幅每跨均由8片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板組成，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，設(shè)置板式橡膠支座。下部結(jié)構(gòu)采用重力式U型橋臺(tái)，樁柱式橋墩，墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面采用瀝青混凝土鋪裝面層，兩端橋臺(tái)位置設(shè)有伸縮縫。

在年度橋梁定期檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)本橋裂縫較多、較寬，裂縫橫向貫穿梁底并沿腹板向上延伸，為保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)本橋進(jìn)行了專項(xiàng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示本橋的主要病害為橫向裂縫，詳見表1。

表1 主要橫向裂縫一覽表

此橋裂縫已不滿足《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)所規(guī)定的預(yù)應(yīng)力混凝土梁梁體不允許產(chǎn)生豎向裂縫的規(guī)定。需對(duì)該橋病害制定相應(yīng)加固維修方案。

2 病害原因分析

2.1 裂縫發(fā)生和發(fā)展情況

(1)橋梁裂縫以橋墩處底板橫縫為主，個(gè)別發(fā)展到腹板。開裂嚴(yán)重的梁板，底板橫縫貫通，底板裂縫寬度大于腹板裂縫寬度；腹板處均為豎向裂縫，沒有斜向裂縫。

(2)裂縫出現(xiàn)在中墩梁板端部，裂縫寬度有的較大，分布位置及形狀相近，在橋臺(tái)梁體端部沒有出現(xiàn)，出現(xiàn)裂縫的梁體沒有規(guī)律性。

(3)對(duì)與本高速同類型的20m空心板進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，梁體基本完好，鑿除裂縫處混凝土，發(fā)現(xiàn)鋼筋未發(fā)生銹蝕，裂縫為非鋼筋銹脹引起的裂縫。

從裂縫發(fā)生和發(fā)展情況看，考慮梁體腹板未出現(xiàn)斜裂縫，可初步判斷裂縫非剪切原因引起，而是由正截面拉應(yīng)力超出混凝土拉應(yīng)力引起。

2.2 施工對(duì)局部混凝土強(qiáng)度的影響分析

由于裂縫出現(xiàn)在中墩梁板端部，以下幾種原因可能引起梁端局部混凝土強(qiáng)度減弱。

(1)預(yù)應(yīng)力張拉

負(fù)彎矩鋼束張拉時(shí)超張拉，會(huì)影響對(duì)梁板的應(yīng)力狀態(tài)，使端部梁體下部產(chǎn)生暫時(shí)受拉，形成裂縫。

(2)混凝土配合比

在混凝土的拌制過(guò)程中水灰比過(guò)大或澆注過(guò)程中控制不當(dāng)，造成離析現(xiàn)象，振搗后粗骨料沉于下部，水泥漿上浮到頂板，從而使混凝土強(qiáng)度上下不均勻；工期較長(zhǎng)時(shí)，原材料分批次運(yùn)進(jìn)，造成施工實(shí)際配比與實(shí)驗(yàn)配比不同，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度偏低，這兩方面原因均可使梁體形成裂縫。

(3)混凝土澆注及養(yǎng)生

裂縫發(fā)生在距離橋墩0.5～2m范圍內(nèi)，為梁板中支點(diǎn)處底板鋼筋傳力錨固區(qū)域，同時(shí)也為預(yù)應(yīng)力鋼束傳力錨固區(qū)域，截面受力復(fù)雜 。此處鋼筋較多，普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼筋交錯(cuò)布置，容易造成混凝土振搗不充分，引起混凝土強(qiáng)度不足。

2.3 理論分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立橋梁有限元模型。橋梁模型簡(jiǎn)化為4孔一聯(lián)，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。

由于此橋的設(shè)計(jì)處于《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》85規(guī)范與04規(guī)范交接時(shí)間段，此橋是按85規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的，04規(guī)范相對(duì)于85規(guī)范有許多方面進(jìn)行了改進(jìn)及優(yōu)化，如對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、汽車荷載、溫度梯度等內(nèi)容做了較大的更新，考慮到橋梁運(yùn)營(yíng)期基本是在04規(guī)范體系頒布以后，因此，按照兩個(gè)規(guī)范分別對(duì)本橋進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算兩個(gè)內(nèi)容，即承載能力極限狀態(tài)抗彎和抗剪驗(yàn)算、正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算。

2.3.1按照《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)驗(yàn)算

(1)承載能力極限狀態(tài)

抗彎驗(yàn)算采用橋梁博士軟件進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1：

圖1 彎矩包絡(luò)圖

從結(jié)果可以看出：支點(diǎn)范圍梁板抗彎承載能力可滿足要求，跨中范圍內(nèi)梁板抗彎承載能力基本滿足要求。

抗剪計(jì)算按照04規(guī)范第5.2.7條進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，梁板支點(diǎn)處設(shè)計(jì)剪力727.1kN，斜截面抗剪承載能力883.6kN。抗剪承載能力滿足要求。

(2)正常使用極限狀態(tài)

最不利組合梁板上下緣正拉應(yīng)力如圖2所示：

圖2 截面正應(yīng)力圖

上緣最大正拉應(yīng)力為1.75MPa，下緣最大正拉應(yīng)力發(fā)為1.67MPa，拉應(yīng)力均不大于2.7MPa，滿足規(guī)范要求。

最不利組合梁板下緣主拉應(yīng)力如圖3所示：

圖3 梁體下緣主應(yīng)力圖

梁板最大主拉應(yīng)力為1.75MPa，主拉應(yīng)力不大于2.7MPa，滿足規(guī)范要求。

通過(guò)以上分析：85規(guī)范計(jì)算，本橋承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2按照《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)驗(yàn)算

(1)承載能力極限狀態(tài)

抗彎驗(yàn)算采用橋梁博士軟件進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4：

圖4 彎矩包絡(luò)圖

從結(jié)果可以看出：支點(diǎn)范圍梁板抗彎承載能力可滿足要求，跨中范圍內(nèi)梁板抗彎承載能力滿足要求。

抗剪計(jì)算按照04規(guī)范第5.2.7條進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，梁板支點(diǎn)處設(shè)計(jì)剪力817.1kN，斜截面抗剪承載能力883.6kN?？辜舫休d能力滿足要求。

(2)正常使用極限狀態(tài)

長(zhǎng)期效應(yīng)組合作用下梁板上下緣正拉應(yīng)力如圖5所示。

通過(guò)圖5可見，混凝土上緣和下緣的最小正拉應(yīng)力在長(zhǎng)期效應(yīng)下均大于0MPa，即均為壓應(yīng)力，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

短期效應(yīng)組合作用下梁板上下緣最小正拉應(yīng)力如圖6：

圖6 短期效應(yīng)組合截面正拉應(yīng)力圖

通過(guò)圖6可見，下緣最小正拉應(yīng)力最小值為1.8MPa，接近規(guī)范限值(0.7ftk)。

短期效應(yīng)組合作用下梁板混凝土主拉應(yīng)力如圖7：

圖7 短期效應(yīng)組合梁體下緣主應(yīng)力圖

通過(guò)圖7可見，支點(diǎn)處最小主應(yīng)力值2.59MPa，超過(guò)了規(guī)范要求(0.7ftk)。

通過(guò)以上分析，可知在短期效應(yīng)組合下，梁板底緣正應(yīng)力接近限值，梁板主應(yīng)力超限。

綜上分析：通過(guò)新老規(guī)范計(jì)算對(duì)比，按04規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，下緣正截面拉應(yīng)力、主拉應(yīng)力已經(jīng)較大，已接近規(guī)范限值，但還不足以造成混凝土開裂。施工原因可能會(huì)造成端部混凝土強(qiáng)度弱化。在多種不利因素組合下，底板混凝土拉應(yīng)力容易超出混凝土的拉應(yīng)力，造成底板首先出現(xiàn)橫向裂縫，裂縫向上發(fā)展、增大，使梁板腹板出現(xiàn)豎向裂縫，繼而引起梁板有效抗彎慣性矩減小、抗剪截面尺寸減小，進(jìn)而危及橋梁的結(jié)構(gòu)安全。

3 加固方案設(shè)計(jì)

3.1 梁體加固方案

鑒于此病害處橋梁承載能力基本可滿足規(guī)范要求，產(chǎn)生裂縫的原因是多方面因素造成的，對(duì)梁板區(qū)分情況，分別采取措施。

底板未出現(xiàn)裂縫：維持原有狀態(tài)。

出現(xiàn)橫向裂縫但裂縫寬度小于0.2mm且未貫通至腹板：選擇代表性裂縫安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)裂縫的發(fā)展變化，找出規(guī)律，以便采取更為有效的處理措施。

橫向裂縫寬度大于0.2mm或裂縫貫通發(fā)展至腹板：采用加固措施。

3.2 梁板維修加固方案比選

3.2.1預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)不同于傳統(tǒng)的碳纖維非預(yù)應(yīng)力加固方法，為一種主動(dòng)加固技術(shù)，增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度的同時(shí)能減少結(jié)構(gòu)的撓度變形，并能減少和封閉裂縫。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板系統(tǒng)由預(yù)應(yīng)力碳纖維板、配套碳板粘接劑(碳板膠)、張拉錨固單元三部分組成。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板其具體應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下：

(1)主動(dòng)加固，有效提升結(jié)構(gòu)承載能力；

(2)高強(qiáng)度、高彈性模量、耐腐蝕、耐老化；

(3)重量輕，幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重，無(wú)需大型機(jī)械配合施工；

(4)碳板加緊錨固現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工方便；

(5)碳纖維含量高、材料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間研發(fā)、改進(jìn)，觸變性優(yōu)良。

3.2.2板底粘貼鋼板加固法

板底粘貼鋼板維修方案主要通過(guò)在板底粘貼鋼板，提升梁板承載能力。具體如下：

(1)對(duì)維修的空心板板底進(jìn)行鑿毛處理；

(2)空心板板底粘貼寬20cm、厚1cm的鋼板，見圖8。

圖8 板底粘貼鋼板加固示意圖

3.2.3方案比選

(1)造價(jià)對(duì)比

針對(duì)該二種方案維修工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并參照相應(yīng)的取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，制定相應(yīng)的估算如表2：

表2 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

(2)加固方案技術(shù)比較對(duì)比

表3 加固方案技術(shù)對(duì)比表

綜合上述兩種改建方案，方案一雖然工程造價(jià)較高，但加固效果好，對(duì)既有梁體影響小，施工簡(jiǎn)單，耐久性好，綜合比選，加固方案以預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法為優(yōu)。

4 施工后評(píng)價(jià)

本橋進(jìn)行了裂縫封閉和粘貼碳纖維板施工后，安全檢測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)顯示，原有裂縫未繼續(xù)發(fā)展，亦未出現(xiàn)新的裂縫，橋梁運(yùn)營(yíng)情況良好，以較小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)換來(lái)了橋梁壽命的延長(zhǎng)，本橋采取的有針對(duì)性的處理方案具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。