預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁開裂原因分析及加固方案研究

馮淑珍

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210031)

1 項目概述

南京某大橋為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁橋，跨徑布置為(64+112+64)m。大橋于2010年4月竣工通車，左右分幅設(shè)置，單幅寬度為16.75 m，橫斷面布置為0.5 m(防撞護(hù)欄)+15.25 m(行車道)+1.1 m(中央帶護(hù)欄)。

大橋上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室箱梁，中墩墩頂截面高為6.384 m，跨中梁高為2.584 m，梁底線形為拋物線。橋梁支座為球形支座，中墩支座型號為LQZ3500GD-θ0.05、LQZ3500DX-e±200-θ0.05，支座橫橋向間距為6.25 m。

橋梁的中墩采用圓柱墩、預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，蓋梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓柱墩直徑4.3 m，蓋梁橫橋向總寬度9.15 m，順橋向?qū)挾?.7 m，高度4.0 m。在2018年檢測中發(fā)現(xiàn)，中墩普遍存在開裂現(xiàn)象，分布具有一定的規(guī)律性。該類型裂縫為比較典型的結(jié)構(gòu)裂縫，在同類型的結(jié)構(gòu)中普遍存在。但是裂縫產(chǎn)生的原因涉及材料、設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)等多方面，相對較復(fù)雜。

圖1 橋墩及蓋梁結(jié)構(gòu)(單位：cm)

2 開裂現(xiàn)狀及原因分析

蓋梁混凝土典型裂縫分布如圖2所示。裂縫分布于蓋梁的立面，集中分布在橫橋向兩支撐墊石之間位置，裂縫基本上成豎直狀態(tài)。中間的裂縫相對較寬、最寬達(dá)到0.15 mm，最大長度2.4 m。同時，裂縫具有上寬下窄的特征。根據(jù)結(jié)構(gòu)類型推斷，蓋梁中部應(yīng)有順橋向通長裂縫，但是由于檢測空間等限制無法檢測，所以裂縫分布圖中并未畫出。

該蓋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，順橋向共布置5束(每束9根)預(yù)應(yīng)力鋼束，橫橋向呈曲線布置。中部預(yù)應(yīng)力鋼束中心線距離蓋梁頂部35 cm，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。同時在蓋梁的頂部配有6排直徑32 mm鋼筋，每排間距10 cm，合計257根。蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束及普通鋼筋布置如圖3所示。

圖2 蓋梁典型裂縫分布

圖3 蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束及鋼筋布置(單位：cm)

該結(jié)構(gòu)懸臂長度和豎向高度之間比例較小，更傾向于牛腿構(gòu)造。因此建立實體有限元模型以準(zhǔn)確模擬其受力狀態(tài)。在支反力作用下，蓋梁頂部兩個支撐墊石之間呈現(xiàn)明顯的受拉狀態(tài)，且中部大，靠近墊石方向逐漸降低。蓋梁中部橫橋向最大拉應(yīng)力為4.7 MPa，靠近蓋梁邊緣時降低至2.6 MPa。在垂直方向，拉應(yīng)力較大區(qū)域厚度約為20 cm。蓋梁橫橋向應(yīng)力分布與牛腿結(jié)構(gòu)受力特征、蓋梁混凝土裂縫分布區(qū)域基本一致。

蓋梁為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，根據(jù)實體仿真分析模型，理論有效預(yù)應(yīng)力約為1 160 MPa，最小預(yù)應(yīng)力損失約為17%。預(yù)應(yīng)力鋼束對蓋梁頂面中部提供壓應(yīng)力為1.2 MPa。而在實際使用過程中，由于施工的復(fù)雜性、環(huán)境條件、安裝偏差等多種原因，實際有效預(yù)應(yīng)力大小難以判斷。基于此，在不考慮預(yù)應(yīng)力鋼束作用的情況下根據(jù)GB 50010—2020《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》拉壓桿作用原理對蓋梁進(jìn)行了承載能力及裂縫寬度計算。蓋梁抗拉、抗剪承載能力均滿足規(guī)范要求，理論裂縫寬度為0.09 mm。

綜合考慮上述分析推斷，原設(shè)計蓋梁應(yīng)采用桿系模型計算及設(shè)計或為部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件，由于預(yù)應(yīng)力鋼束損失過大導(dǎo)致構(gòu)件性能降低，基本上滿足部分預(yù)應(yīng)力混凝土B類構(gòu)件要求。

根據(jù)實體有限元分析結(jié)果在蓋梁的側(cè)面中部存在一定區(qū)域的應(yīng)力集中。順橋向最大拉應(yīng)力達(dá)到了2.7 MPa。該應(yīng)力集中區(qū)域處于蓋梁側(cè)面中心位置，部位及分布長度等與側(cè)面豎向裂縫對應(yīng)。同時，該區(qū)域為預(yù)應(yīng)力鋼束封錨區(qū)域，混凝土材料性能不一致且存在著齡期差，這也是蓋梁側(cè)面混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因之一。

3 加固方案研究及比選

考慮到該裂縫為結(jié)構(gòu)性受力裂縫，加固方案采用體外預(yù)應(yīng)力主動加固和粘貼鋼板被動加固方案進(jìn)行比選。

主動加固方案是在蓋梁頂端橫橋向施加體外預(yù)應(yīng)力，以抵消或降低荷載效應(yīng)。綜合考慮蓋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬在蓋梁的兩側(cè)橫橋向各施加1束，每束7根，張拉控制應(yīng)力為1 209 MPa。經(jīng)計算，加固后蓋梁中心處拉應(yīng)力降低0.5 MPa。即蓋梁頂部依然存在4.2 MPa的拉應(yīng)力。根據(jù)該效應(yīng)，若想將蓋梁中部4.7 MPa拉應(yīng)力全部消除則需要施加體外預(yù)應(yīng)力132根，每側(cè)61根。在構(gòu)造上完全布置如此多的鋼束十分困難。同時也可以看到，施加的鋼束均為短束，預(yù)應(yīng)力損失大，效果難以保障。

被動加固方案(圖4)指在既有結(jié)構(gòu)中粘貼高強(qiáng)材料并與既有結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形，粘貼的高強(qiáng)材料與既有結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)后期荷載作用，通常選用鋼板和碳纖維布。雖然碳纖維布材料性能優(yōu)異，但是能夠與既有結(jié)構(gòu)及時有效地共同協(xié)調(diào)變形遭到質(zhì)疑。所以選擇粘貼鋼板法進(jìn)行加固。

圖4 粘貼鋼板加固構(gòu)造(單位：cm)

該裂縫在使用過程中為活動裂縫，即在橋梁活載的作用下，裂縫始終處于不斷的張合狀態(tài)。根據(jù)計算，恒載約占支反力的75%、活載占25%。在恒載的作用下，混凝土表面拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到3.5 MPa，即結(jié)構(gòu)已經(jīng)開裂；在活載的作用下，裂縫始終處于張合狀態(tài)。基于蓋梁滿足部分預(yù)應(yīng)力混凝土B類構(gòu)件的要求，以限制裂縫發(fā)展、保證結(jié)構(gòu)耐久性為加固目標(biāo)，采用粘貼鋼板的加固思路也是可取的。加固方案兼顧蓋梁側(cè)面，采用環(huán)向粘貼的形式。粘貼鋼板厚度為8 mm，沿著側(cè)面和立面分別錨固后焊接為環(huán)向整體。預(yù)留進(jìn)出漿口后向鋼板內(nèi)壓力灌注粘鋼膠直至飽滿，要求灌注孔隙率小于5%。

采用該方案能夠同時兼顧蓋梁側(cè)面裂縫的處治；粘貼鋼板加固施工工藝成熟、施工質(zhì)量可靠。但是施工前應(yīng)加強(qiáng)對預(yù)應(yīng)力鋼束及主筋的探測，鉆孔施工不得傷及預(yù)應(yīng)力蓋梁內(nèi)鋼束及主筋。

4 結(jié)語

對于類似蓋梁結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計時，應(yīng)充分估計長度短、曲線布置等帶來的預(yù)應(yīng)力損失。在設(shè)計階段建議采用實體模型進(jìn)行仿真分析以彌補(bǔ)桿系模型分析的不足。

對于結(jié)構(gòu)加固，應(yīng)在進(jìn)行充分的病害原因分析、仿真計算分析、加固效果論證的基礎(chǔ)上制定加固方案。經(jīng)充分的分析、比選，在既有結(jié)構(gòu)滿足部分預(yù)應(yīng)力混凝土B類構(gòu)件的基礎(chǔ)上采用粘貼鋼板的加固方案，能夠限制裂縫發(fā)展、保障結(jié)構(gòu)耐久性。