九江二橋裂縫檢測(cè)與成因分析

劉昆

摘 要：針對(duì)九江二橋主橋箱梁及結(jié)合段出現(xiàn)的混凝土開裂現(xiàn)象，對(duì)該橋進(jìn)行了全面的混凝土裂縫專項(xiàng)檢測(cè)與評(píng)估，包括裂縫位置、裂縫長(zhǎng)度、寬度、數(shù)量，裂縫發(fā)展?fàn)顩r。根據(jù)橋梁不同位置處裂縫分布情況，采用理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)裂縫成因進(jìn)行了綜合分析，并提出了相應(yīng)的維修處治建議。

關(guān)鍵詞：橋梁檢測(cè);裂縫;理論分析;數(shù)值模擬;成因分析

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 前言

混凝土結(jié)構(gòu)是橋梁的重要組成部分，由于各種原因（如干燥收縮、溫度應(yīng)力、外荷載、基礎(chǔ)變形等），裂縫成為混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的缺陷或損傷現(xiàn)象[1-2]。裂縫的成因、狀態(tài)、發(fā)展及在結(jié)構(gòu)中的位置的不同，對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的危害性也有很大的區(qū)別。嚴(yán)重的受力裂縫可能危害結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行有很大影響。九江二橋位于長(zhǎng)江中下游，南起江西九江市，北連湖北黃梅縣，是跨越長(zhǎng)江的重要交通干道之一?？紤]服役環(huán)境的復(fù)雜性及繁忙的交通運(yùn)輸量，需要對(duì)其定期開展裂縫檢測(cè)評(píng)估工作。

1 工程概況

九江二橋主橋?yàn)榱绮粚?duì)稱混合梁斜拉橋，主跨818 m，跨徑布置為（70+75+84+818+233.5+124.5）m，主橋全長(zhǎng)1 405 m。南邊跨為3跨，長(zhǎng)229 m，設(shè)置2個(gè)輔助墩和1個(gè)過(guò)渡墩，南邊中跨比為0.280;北邊跨為2跨，長(zhǎng)358 m，

設(shè)置1個(gè)輔助墩和1個(gè)過(guò)渡墩，北邊中跨比為0.438?；旌辖Y(jié)構(gòu)組成為：0.9 m（南過(guò)渡墩伸縮縫）+260.6 m（南岸混凝土梁段）+8.15 m（結(jié)合段）+1 134.45 m（鋼箱梁段）+0.9 m（北過(guò)渡墩伸縮縫）?；炷料淞褐行木€處梁高3.6 m，

距南岸梁端1.5 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)梁寬為33.5 m，索塔中心線兩側(cè)各6.7 m范圍內(nèi)梁寬度為34.9 m。梁高與中跨比為1：227.22，梁寬與中跨比為1：21.03。

2 混凝土裂縫檢測(cè)結(jié)果

2.1 檢測(cè)方法

混凝土箱梁內(nèi)部外觀檢查主要以目測(cè)為主，輔以橋梁檢測(cè)專用攝像儀、望遠(yuǎn)鏡、小鐵錘、激光測(cè)距儀、鋼卷尺、人字梯等工具，進(jìn)行方位描述、現(xiàn)場(chǎng)繪制病害草圖和圖片記錄。借助橋檢車進(jìn)行混凝土箱梁外部外觀的檢查。使用記號(hào)筆在混凝土表面標(biāo)識(shí)裂縫位置、走向，確保清晰可見，并耐久保持;并采用激光測(cè)距儀、裂縫測(cè)寬儀、裂縫測(cè)深儀等對(duì)裂縫長(zhǎng)度、寬度、深度進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 不同位置裂縫分布情況

2.2.1 混凝土箱梁內(nèi)部檢測(cè)結(jié)果

對(duì)箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的外觀進(jìn)行了檢測(cè)，包括腹板、橫隔板、頂板、底板、縱次梁及風(fēng)嘴內(nèi)側(cè)面等位置。不同位置所經(jīng)受病害的詳細(xì)指標(biāo)如表1所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，混凝土箱梁內(nèi)部裂縫數(shù)量為549條，裂縫總長(zhǎng)為768 m，裂縫寬度范圍0.02 mm～0.34 mm。

2.2.2 混凝土箱梁外部檢測(cè)結(jié)果

利用橋檢車對(duì)混凝土箱梁外部進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)混凝土外部涂層龜裂2處，開裂面積0.193 6 m2;涂層脫落6處，面積為0.122 5 m2;混凝土破損6處，面積為0.455 m2。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)混凝土箱梁底板涂層覆蓋處外觀完好，無(wú)明顯裂縫。

2.2.3 混凝土箱梁裂縫深度檢測(cè)結(jié)果

選取4個(gè)不同箱梁、共計(jì)6條代表性裂縫進(jìn)行裂縫深度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。首先，對(duì)19-2-1#號(hào)箱梁不同位置處的裂縫形態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖1（a）代表頂板距大樁號(hào)側(cè)3.5 m處的位置，出現(xiàn)了1條明顯的橫向裂縫，裂縫尺寸為：長(zhǎng)度（L）=1.6 m、寬度（W）=0.04 mm，深度（H）=68 mm;而頂板/左腹板右側(cè)面/底板距小樁號(hào)側(cè)1.5 m處出現(xiàn)了1條貫穿裂縫，裂縫長(zhǎng)度、寬度和深度分別為：3.5 m、0.34 mm、104 mm，如圖1（b）所示;圖1（c）代表頂板距小樁號(hào)側(cè)2 m、距左邊3.2 m處，則出現(xiàn)了1條縱向裂縫，其尺寸為：L=1.8 m、W=0.2 mm、H=174 mm。上述結(jié)果表明：在同一個(gè)箱室、不同位置處的裂縫尺寸存在較大差異，尤其是裂縫深度差別很大。

然后選取不同箱室的裂縫進(jìn)行分析，如圖1（d）～（f）所示。其中，在20-9-2#號(hào)室的頂板處，出現(xiàn)1條長(zhǎng)1.9 m、寬0.26 mm和深119 mm的縱向裂縫（圖1（d））;在21-10-2#號(hào)室的頂板處，出現(xiàn)1條縱向裂縫，尺寸為：L=1.9 m、W=0.18 mm、H=104 mm（圖1（e））;而在22-2-1#號(hào)室的左風(fēng)嘴右側(cè)面也出現(xiàn)了1條長(zhǎng)1.5 m、寬0.2 mm和深32 mm的縱向裂縫，如1（f）所示。

2.3 主要裂縫成因分析

2.3.1 頂板縱向裂縫

混凝土箱梁采用分段分節(jié)支墩支架現(xiàn)澆工藝施工，自梁端開始主梁分四個(gè)施工段和三個(gè)濕接縫，每個(gè)施工段分若干節(jié)澆筑?；炷料淞喉敯蹇v向裂縫共105條，占箱梁裂縫總數(shù)的19.1%，裂縫長(zhǎng)度158 m，占箱梁裂縫總長(zhǎng)的20.6%。

（1）理論分析。收縮作為混凝土材料的固有屬性，與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)，表現(xiàn)為隨時(shí)間發(fā)展，混凝土體積的減小[3]。我國(guó)《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 3362-2018）中，由于收縮預(yù)測(cè)模式中的收縮時(shí)間進(jìn)程函數(shù)與構(gòu)件的理論厚度有關(guān)，對(duì)n#節(jié)段，理論厚度取節(jié)段兩端截面的理論厚度的平均值。則n#節(jié)段的收縮應(yīng)變?yōu)椋?/p>

（1）

由于濕接縫收縮速率較快且量值較大，越遠(yuǎn)離濕接縫的節(jié)段的收縮速率越慢且量值較小。研究相對(duì)收縮應(yīng)變時(shí)，不妨將某時(shí)刻各個(gè)節(jié)段的收縮應(yīng)變值減去相同時(shí)刻a#塊的收縮應(yīng)變，即以a#塊為相對(duì)收縮量值的比較基準(zhǔn)，則任意n#節(jié)段相對(duì)于a#塊的收縮應(yīng)變?yōu)椋?/p>

（2）

（2）數(shù)值模擬。采用我國(guó)《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 3362-2018）的收縮徐變預(yù)測(cè)公式，以濕接縫與相鄰節(jié)段之間的施工工期為例，按至今時(shí)間計(jì)算，濕接縫與相鄰節(jié)段之間的相對(duì)收縮應(yīng)變，其收縮當(dāng)量溫差。利用ABAQUS有限元分析軟件建立7.5 m節(jié)段+1.8 m濕接縫+7.5 m節(jié)段模型，通過(guò)給濕接縫位置施加溫度荷載使其降溫，模擬混凝土收縮?？紤]相鄰節(jié)段與濕接縫混凝土齡期差異引起的收縮橫向正應(yīng)力的分布云圖如圖2（a）所示，濕接縫頂板下緣橫向拉應(yīng)力不可忽視，其最大值達(dá)到了2.7 MPa。從圖2（b）箱梁拉伸損傷云圖看出，箱梁濕接縫頂板下緣出現(xiàn)了多處拉伸損傷，損傷分布與濕接縫裂縫分布基本一致。

2.3.2 橫隔板裂縫

由2.2節(jié)檢測(cè)結(jié)果可知：橫隔板裂縫數(shù)量為202條，占混凝土箱梁裂縫總數(shù)的36.8%。橫隔板裂縫一般是由混凝土的收縮造成的。由于一次性澆筑的混凝土土方量較大，先澆筑的混凝土?xí)?duì)后期澆筑的頂板混凝土產(chǎn)生較大的約束，澆筑時(shí)間間隔越長(zhǎng)，不均勻收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力越大，從而導(dǎo)致橫隔板裂縫的產(chǎn)生。

2.3.3 腹板、風(fēng)嘴和次梁縱向裂縫

主橋混凝土箱梁腹板、風(fēng)嘴內(nèi)側(cè)面和次梁主要出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫數(shù)量為82條，占混凝土箱梁裂縫總數(shù)的14.9%，總長(zhǎng)為122 m，占混凝土箱梁裂縫總長(zhǎng)的15.9%?？v向裂縫出現(xiàn)的主要原因是預(yù)應(yīng)力管道定位不準(zhǔn)，或澆筑時(shí)發(fā)生偏移，導(dǎo)致波紋管處混凝土保護(hù)層厚度不足。由于預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)沿波紋管產(chǎn)生泊松效應(yīng)，沿波紋管底產(chǎn)生拉應(yīng)力，加之混凝土收縮應(yīng)力的作用，沿波紋管等混凝土薄弱截面易出現(xiàn)裂縫。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）對(duì)箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不同位置存在不同的裂縫缺陷特征;混凝土箱梁底板涂層覆蓋處外觀完好，無(wú)明顯裂縫。（2）不同箱室內(nèi)的裂縫尺寸存在較大差異，尤其是裂縫深度差別很大。裂縫寬度范圍為0.04 mm～0.34 mm，裂縫深度變化范圍是32 mm～174 mm，平均裂縫深度為102.5 mm。（3）主橋混凝土箱梁段采用分段分節(jié)澆筑，當(dāng)濕接縫混凝土澆筑完成后，全橋各節(jié)段之間的混凝土收縮量不等，使?jié)窠涌p頂板產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力值大于混凝土抗拉強(qiáng)度值時(shí)便會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫。（4）由于先澆筑的混凝土?xí)?duì)后期澆筑的頂板混凝土產(chǎn)生較大的約束，澆筑時(shí)間間隔越長(zhǎng)，不均勻收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力越大，從而導(dǎo)致橫隔板裂縫的產(chǎn)生。

3.2 建議

針對(duì)九江長(zhǎng)江二橋主橋混凝土段裂縫數(shù)量逐年增長(zhǎng)的問題，應(yīng)對(duì)裂縫進(jìn)行維修加固，防止裂縫進(jìn)一步發(fā)展，建議如下：（1）建議對(duì)寬度<0.15 mm的裂縫進(jìn)行封閉處理，防止水汽進(jìn)入混凝土內(nèi)部，腐蝕鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋;對(duì)寬度≥0.15 mm的裂縫進(jìn)行壓力灌注封閉處理。（2）對(duì)裂縫進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)，跟蹤了解病害發(fā)展，如有繼續(xù)發(fā)展開裂，根據(jù)其嚴(yán)重程度采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行加固處理。

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