大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩蓋梁開裂成因分析及處治方案

糜懷谷

（蘇州繞城高速公路有限公司，江蘇 蘇州）

1 橋梁概況

K74+758 中橋?yàn)殡p幅橋，跨徑布置左幅為（15.553+20+26+25）m，右幅為（25+26+20+15.553）m，全橋橫橋向布置為0.5（墻式護(hù)欄）+15.75（行車道）+0.5（波形護(hù)欄）+1.0（中分帶）+0.5（波形護(hù)欄）+15.75（行車道）+0.5（墻式護(hù)欄），其中單幅橋?qū)挒?7.25 m。橋面鋪裝為10.5 cm 瀝青混凝土及10 cm 鋼筋混凝土，上部為預(yù)制空心板簡支梁。下部為輕型橋臺(tái)，薄壁式橋墩，預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁。

2 病害概況

大懸臂蓋梁可節(jié)約土地，同時(shí)兼具美觀功能，在許多城市橋梁上被廣泛使用[1]，但是公路橋梁上大量使用并不多見。近年來發(fā)現(xiàn)該類蓋梁出現(xiàn)了各種各樣的裂縫[2-4]。本橋所有橋墩均采用了大懸臂蓋梁，而且是倒T 型隱形蓋梁，橋梁定期檢測發(fā)現(xiàn)蓋梁端部封錨區(qū)槽口銳角區(qū)域出現(xiàn)豎向裂縫，病害特點(diǎn)如下：(1) 蓋梁端部預(yù)應(yīng)力筋錨頭封閉區(qū)槽口混凝土存在縫隙，滲漏水；(2) 蓋梁端部銳角側(cè)，邊梁支座下方蓋梁存在豎向裂縫，裂縫最寬2 mm，個(gè)別裂縫從蓋梁外側(cè)表面延伸至頂面邊梁支座下方；(3) 部分蓋梁懸臂根部出現(xiàn)不同程度裂縫，裂縫寬度0.1～0.7 mm，裂縫深度5.0～17.5 cm，見圖1-圖7。

圖1 蓋梁病害位置平面示意圖

圖2 蓋梁端部槽口封錨區(qū)界面滲水

圖3 蓋梁端部槽口銳角側(cè)面豎向裂縫

圖4 蓋梁端部槽口銳角側(cè)面豎向裂縫

圖5 蓋梁端部槽口銳角區(qū)頂面裂縫

圖6 R3 蓋梁外側(cè)（南）懸臂根部豎向裂縫

圖7 L1 蓋梁內(nèi)側(cè)（南）懸臂根部豎向裂縫

圖8 蓋梁立面圖（虛線為預(yù)應(yīng)力筋位置）

圖9 橋墩蓋梁橫斷面示意圖

圖10 蓋梁配筋斷面圖

圖11 蓋梁端部槽口鋼筋構(gòu)造示意圖

3 成因分析

3.1 蓋梁銳角端裂縫

該橋蓋梁為預(yù)應(yīng)力倒T 型結(jié)構(gòu)，構(gòu)造見圖8-11，蓋梁橫橋向受力模式為大懸臂梁，縱橋向受力模式類似于牛腿。

該橋橋墩蓋梁為大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，施工時(shí)先張拉預(yù)應(yīng)力，再澆筑蓋梁端部槽口內(nèi)的封錨混凝土。從病害特征可知豎向裂縫集中出現(xiàn)在蓋梁端部槽口的銳角區(qū)域。橋墩蓋梁端部槽口尺寸大，原設(shè)計(jì)中穿越槽口的蓋梁箍筋約8～10 根。由此推測，穿越槽口的箍筋在施工階段干擾了預(yù)應(yīng)力筋張拉施工，因此該箍筋被截?cái)?，但是在澆筑槽口區(qū)封錨混凝土?xí)r，穿越槽口的蓋梁箍筋未接長。因此，蓋梁槽口區(qū)銳角處受力狀況由原設(shè)計(jì)的縱橋向牛腿整體受力模式退變?yōu)闄M橋向懸臂受力模式。但是槽口兩側(cè)區(qū)域沒有預(yù)應(yīng)力鋼束通過，銳角端頂面鋼筋配置也較弱，導(dǎo)致抗彎承載能力不足。

該橋距離收費(fèi)站出口約1 km，在疫情交通管制期間，大量超載貨車長時(shí)間停放在橋面緊急停車道上，由此導(dǎo)致蓋梁端部出現(xiàn)豎向裂縫。有限元模型分析也表明，在恒載和車輛荷載（出口稱重車輛數(shù)據(jù)）作用下，槽口銳角區(qū)混凝土最大主拉應(yīng)力在5 Mpa 左右，超出了混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。后續(xù)維修過程中將槽口內(nèi)封錨混凝土打開后證實(shí)：沒有任何箍筋穿越槽口混凝土，而且槽口銳角區(qū)混凝土已經(jīng)嚴(yán)重開裂，見圖12-圖13。

圖12 蓋梁端部槽口銳角區(qū)主拉應(yīng)力超限

圖13 槽口內(nèi)無箍筋，銳角區(qū)混凝土嚴(yán)重開裂

3.2 懸臂根部裂縫

全橋共4 個(gè)橋墩出現(xiàn)了此類裂縫，最大縫寬0.7 mm，縫深17.5 cm。本類裂縫位置較有規(guī)律性，均在蓋梁懸臂根部區(qū)域，如圖6 和圖7 所示。根據(jù)現(xiàn)場裂縫位置鉆孔取芯及裂縫寬度分布情況來看，本橋懸臂根部裂縫具有以下特點(diǎn)：(1) 裂縫位置均在懸臂根部；(2) 裂縫主要分布在蓋梁中上部，且上窄下寬，通過鉆孔觀察，裂縫表面較窄，內(nèi)部較寬；(3) 裂縫均未延伸到蓋梁下緣，整個(gè)蓋梁下緣未發(fā)現(xiàn)裂縫；(4) 經(jīng)過多年運(yùn)營期，目前已穩(wěn)定。

此類裂縫成因較為復(fù)雜，根據(jù)以上裂縫特點(diǎn)，可能原因如下：(1) 施工過程中產(chǎn)生的混凝土表面縫；(2) 預(yù)應(yīng)力不足導(dǎo)致的受力裂縫[5]。

根據(jù)竣工圖紙進(jìn)行建模分析復(fù)核，計(jì)算表明，如果所有預(yù)應(yīng)力鋼束有效預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，則蓋梁上緣應(yīng)該有6.0 MPa 的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。但是部分鋼束如果未張拉或者張拉不滿足設(shè)計(jì)要求，則截面上緣會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且承載力不足。因蓋梁頂部有橋面鋪裝覆蓋，無法直接觀判斷蓋梁頂面是否存在順橋向裂縫。為確認(rèn)左幅L1#、L3#、右幅R2#、R3#蓋梁的懸臂根部裂縫是否是由承載能力不足導(dǎo)致的，在懸臂根部裂縫上方的第三車道路面打開了2 個(gè)觀察窗口，鑿除了橋面鋪裝層，露出了蓋梁上緣混凝土界面。經(jīng)過現(xiàn)場確認(rèn)，蓋梁上緣未發(fā)現(xiàn)裂縫，因此，可判斷蓋梁整體受力是安全的，預(yù)應(yīng)力是完整的，蓋梁懸臂根部出現(xiàn)的裂縫為施工過程中出現(xiàn)的表面裂縫，對(duì)裂縫進(jìn)行耐久性處理，并長期觀察即可。

4 維修方案

通常情況下，常規(guī)的加固方法有粘貼鋼板、體外束等加固方法[6-7]。本橋蓋梁為倒T 梁，不管是粘貼鋼板還是施加體外束，均應(yīng)該在蓋梁頂面加固。但是對(duì)于倒T型的隱形蓋梁來講，此類方法均不適用。同時(shí)考慮到橋面打開后未在蓋梁頂面發(fā)現(xiàn)裂縫，因此本次蓋梁懸臂根部裂縫不作加固處治，僅僅裂縫封閉處理，同時(shí)在橋梁檢查期間加強(qiáng)跟蹤觀測。

本次維修時(shí)，僅對(duì)蓋梁端部槽口部位進(jìn)行加固處理。先將蓋梁上方的外邊梁支撐在臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)支撐上，然后鑿除蓋梁端部槽口內(nèi)的封錨混凝土，再切除槽口兩側(cè)的懸臂混凝土。最后在蓋梁端部安裝定制的鋼結(jié)構(gòu)牛腿，將邊梁最外側(cè)支座支撐在鋼結(jié)構(gòu)牛腿上。因原蓋梁已經(jīng)產(chǎn)生不同程度的損傷，為降低結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，維修時(shí)不宜增加既有蓋梁的荷載，經(jīng)過對(duì)比、測算，采用的鋼結(jié)構(gòu)方案較原混凝土結(jié)構(gòu)減載2.5 t，有效提升了結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。

本次采取的維修措施及流程如下：(1) 交通管制：施工期間采取措施封閉部分車道，待修復(fù)完成后恢復(fù)交通。(2) 橋下臨時(shí)支撐：考慮到蓋梁混凝土已嚴(yán)重開裂，因此在維修過程中需及時(shí)在橋墩附近對(duì)涉及的上部結(jié)構(gòu)作臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐由條形基礎(chǔ)及鋼管柱組成。(3) 第一次體系轉(zhuǎn)換：將上部板梁恒載轉(zhuǎn)移至臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)上，確保蓋梁病害檢測及后續(xù)維修過程中橋梁結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。(4) 混凝土鑿除：采取措施，將蓋梁端部銳角側(cè)開裂區(qū)及預(yù)應(yīng)力混凝土筋封錨區(qū)域混凝土鑿除，鑿除混凝土后，順便對(duì)預(yù)應(yīng)力錨頭的有效性進(jìn)行檢測，以確保蓋梁整體受力安全。(5) 施工監(jiān)控：待臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)施工完畢，須由監(jiān)控單位設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，對(duì)上部結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤觀測。待臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)沉降及變形趨于穩(wěn)定后，方可進(jìn)行蓋梁的混凝土鑿除，且沉降觀測貫徹整個(gè)維修過程。(6) 修復(fù)蓋梁缺陷：鑿除蓋梁混凝土后，在蓋梁斷面上鉆孔，植入錨栓，安裝鋼牛腿并通過錨栓與原蓋梁連接錨固，完成后澆筑支座墊石等，見圖14 和圖15。(7) 第二次體系轉(zhuǎn)換：進(jìn)行第二次體系轉(zhuǎn)換，將臨時(shí)支撐上的支座反力重新轉(zhuǎn)移回蓋梁。

圖14 鋼牛腿構(gòu)造

圖15 鋼牛腿構(gòu)造

5 結(jié)論

針對(duì)大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁的錨固區(qū)端頭裂縫病害，分析了病害成因，并采取了科學(xué)的處治對(duì)策。本次維修處治取得了良好的效果，為同類型病害處治提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

(1) 對(duì)于同類型結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)不宜將預(yù)應(yīng)力筋錨頭封錨區(qū)設(shè)置在支座下方，封錨區(qū)不宜參與受力，應(yīng)降低封錨區(qū)配筋的復(fù)雜性和施工難度；當(dāng)封錨區(qū)必須參與受力時(shí)，在施工階段應(yīng)強(qiáng)化監(jiān)管，嚴(yán)格按圖施工；(2) 對(duì)于同類型的在役橋梁，若發(fā)現(xiàn)類似病害時(shí)，應(yīng)優(yōu)先判斷穿越槽口的箍筋的有效性，并做針對(duì)性處治。