林源鋒

(廣東省高速公路有限公司 廣清分公司，廣東 清遠(yuǎn) 511542)

1 病害橋梁概述

某高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨徑組合為4×20 m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單箱單室截面，箱梁頂板寬12.23 m，底板寬6.73 m，梁高140 cm，橋面鋪裝采用9 cm瀝青混凝土。橋梁設(shè)計(jì)荷載采用汽車—超20級(jí)，驗(yàn)算荷載為掛車—120級(jí)。橋梁橫斷面一般構(gòu)造如圖1所示。

圖1 橋梁橫斷面一般構(gòu)造(單位:cm)

從該橋的檢查情況來(lái)看，連續(xù)箱梁截面腹板下緣豎向開(kāi)裂，底板存在橫向裂縫，部分裂縫已貫通底板，部分施工縫處存在開(kāi)裂現(xiàn)象，典型橋跨箱梁裂縫展開(kāi)見(jiàn)圖2。由于該橋擬進(jìn)行整體式拓寬，橋梁結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行拼接，拼接前結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，出現(xiàn)病害后的連續(xù)箱梁承載能力及正常使用狀態(tài)是否滿足要求成為擺在設(shè)計(jì)單位面前的難題。為了準(zhǔn)確評(píng)估連續(xù)箱梁目前的受力狀態(tài)，本文通過(guò)荷載試驗(yàn)的方法對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力及應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試，為該橋的病害原因分析提供基礎(chǔ)資料，為該橋拓寬拼接設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

2 梁體使用狀態(tài)評(píng)定

由于該橋連續(xù)箱梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在正常使用階段是不允許出現(xiàn)裂縫的，為分析該橋裂縫的性質(zhì)，了解橋梁目前的實(shí)際受力狀態(tài)，為后期加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)，梁體使用狀態(tài)評(píng)定的主要思路為:測(cè)試車輛荷載作用下梁體主要控制截面的受力情況，分級(jí)加載測(cè)試裂縫的擴(kuò)展情況，分析梁體的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備，對(duì)橋梁的受力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)上述工作思路，梁體使用狀態(tài)評(píng)定的工作內(nèi)容有:

1)測(cè)試常規(guī)測(cè)試截面(邊跨0.4L、中跨跨中、墩頂負(fù)彎矩截面)在試驗(yàn)荷載下的應(yīng)力和撓度，分析主要控制截面的受力狀態(tài)，L為跨長(zhǎng)。

2)測(cè)試裂縫截面、施工接縫截面在試驗(yàn)荷載下跨裂縫測(cè)點(diǎn)及裂縫附近測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化情況，分析裂縫的性質(zhì)，對(duì)梁體的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3)根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，對(duì)橋梁的總體受力狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 常規(guī)測(cè)試截面

常規(guī)測(cè)試截面應(yīng)力測(cè)試沿橋縱向及截面高度方向布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，分析試驗(yàn)荷載作用各截面的應(yīng)力分布情況。

圖2 典型橋跨箱梁裂縫展開(kāi)(裂縫寬度單位:mm;距離單位:cm)

2.1.1 中跨跨中截面

1)由于試驗(yàn)加載過(guò)程中截面出現(xiàn)開(kāi)裂，受開(kāi)裂處應(yīng)力集中影響，各抗裂測(cè)點(diǎn)平均應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離該擬合直線，應(yīng)變也遠(yuǎn)大于按線性推算的應(yīng)變值。實(shí)測(cè)截面下緣表面平均拉應(yīng)變?yōu)?25×10－6，計(jì)算拉應(yīng)變?yōu)?1×10－6，實(shí)測(cè)混凝土表面應(yīng)力遠(yuǎn)大于計(jì)算應(yīng)力值，不滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5～0.9之間的要求。

2)最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，抗裂測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布于26×10－6～373 ×10－6，實(shí)測(cè)應(yīng)變值非常不均勻，個(gè)別測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變隨荷載效率增加出現(xiàn)退化和畸變現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，該截面工作狀態(tài)不良，抗裂性不滿足要求。

3)實(shí)測(cè)梁體撓曲線與計(jì)算撓曲線規(guī)律一致，但梁體實(shí)測(cè)撓度均大于計(jì)算撓度。在最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)撓度平均值為4.57 mm，計(jì)算撓度為3.20 mm，實(shí)測(cè)撓度大于計(jì)算撓度，不滿足《評(píng)定規(guī)程》中預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.6～1.0之間的要求。

2.1.2 邊跨—次邊跨墩頂截面

1)截面應(yīng)變沿截面高度基本呈線性變化，實(shí)測(cè)中性軸平均高度為97.6 cm，計(jì)算中性軸高度為89.0 cm，實(shí)測(cè)值略大于計(jì)算值。實(shí)測(cè)截面下緣平均壓應(yīng)變?yōu)?－56 ×10－6，計(jì)算下緣壓應(yīng)變?yōu)?－62 ×10－6，其應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.903，基本滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5～0.9之間的要求。

2)在各級(jí)試驗(yàn)荷載下，墩頂截面上緣最大拉應(yīng)變數(shù)值較小，且變化均勻，無(wú)退化和畸變現(xiàn)象出現(xiàn)，該截面抗裂性滿足要求。

2.1.3 邊跨0.4L截面

1)截面應(yīng)變沿截面高度基本呈線性分布，實(shí)測(cè)截面平均中性軸高度為95.8 cm，計(jì)算值為90.5 cm，兩者較接近。實(shí)測(cè)截面下緣表面平均拉應(yīng)變?yōu)?6×10－6，計(jì)算拉應(yīng)變?yōu)?2×10－6，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為1.049，不滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5～0.9之間的要求。

2)各抗裂測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值不均勻、離散性較大，說(shuō)明混凝土勻質(zhì)性較差。

3)實(shí)測(cè)梁體撓曲線與計(jì)算撓曲線規(guī)律一致，但梁體實(shí)測(cè)撓度大于計(jì)算撓度。最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測(cè)撓度平均值為4.93 mm，計(jì)算撓度為4.08 mm，實(shí)測(cè)撓度大于計(jì)算撓度，不滿足《評(píng)定規(guī)程》中預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.6～1.0之間的要求。

2.2 裂縫截面測(cè)試

2.2.1 次邊跨跨中附近開(kāi)裂截面

1)受開(kāi)裂處應(yīng)力集中影響，截面線性關(guān)系較差。實(shí)測(cè)截面下緣表面平均拉應(yīng)變?yōu)?43×10－6，理論計(jì)算拉應(yīng)變?yōu)?1×10－6，混凝土實(shí)測(cè)表面應(yīng)力遠(yuǎn)大于計(jì)算應(yīng)力值，不滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5～0.9之間的要求。

2)各抗裂測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值非常不均勻，最大級(jí)加載下最大應(yīng)變835×10－6，且裂縫旁測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變隨荷載效率增加出現(xiàn)退化現(xiàn)象?？梢?jiàn)，該截面抗裂性不滿足要求。此外，根據(jù)部分測(cè)點(diǎn)荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線圖，推算該截面在0.5倍的汽超—20級(jí)荷載下已出現(xiàn)消壓，部分底板測(cè)點(diǎn)可能在恒載作用下已出現(xiàn)消壓。

2.2.2 次邊跨施工接縫截面

該截面中性軸高度較其余截面已明顯上移，截面剛度弱化顯著。實(shí)測(cè)截面下緣表面平均拉應(yīng)變?yōu)?38×10－6，計(jì)算拉應(yīng)變?yōu)?45 × 10－6，混凝土實(shí)測(cè)表面應(yīng)力遠(yuǎn)大于計(jì)算應(yīng)力值，不滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5～0.9之間的要求。此外，在試驗(yàn)荷載下，截面抗裂測(cè)點(diǎn)應(yīng)變均遠(yuǎn)大于計(jì)算應(yīng)變值，說(shuō)明該截面裂縫為受力裂縫，梁體預(yù)應(yīng)力度存在明顯不足。

2.3 使用狀態(tài)評(píng)定結(jié)論

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，該橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁預(yù)應(yīng)力度存在不足，梁體裂縫為受力裂縫，由于梁體裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致梁體剛度有明顯下降，梁體受力不滿足原設(shè)計(jì)荷載(汽車—超20級(jí)、掛車—120級(jí))的正常使用要求。

3 病害原因分析

為了分析該橋病害原因，本文采用有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果表明，承載能力極限狀態(tài)邊跨0.4L截面抗力存在約4%的不足;正常使用極限狀態(tài)梁體截面法向壓應(yīng)力和主壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求，截面法向拉應(yīng)力和主拉應(yīng)力不能滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。主梁剛度滿足規(guī)范要求。

根據(jù)荷載試驗(yàn)結(jié)果，本文提出了如下兩個(gè)修正模型:

1)修正模型1為該橋三道施工接縫處截面剛度按開(kāi)裂截面考慮;

2)修正模型2為該橋三道施工接縫處截面及中跨跨中12 m范圍梁體剛度按開(kāi)裂截面考慮。

未修正模型及兩個(gè)修正模型加載響應(yīng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1。

表1 梁體模型修正前后加載響應(yīng)計(jì)算值對(duì)比

根據(jù)上述計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果，初步分析該橋產(chǎn)生病害的原因可能是施工接縫處連接器施工不良引起的。由于施工接縫處連接器施工不良，使該接縫截面出現(xiàn)開(kāi)裂，梁體主控截面內(nèi)力增大，中跨跨中、邊跨0.4L截面撓度亦增大(修正模型1)。由于施工接縫處連接器施工不良引起梁體施加的預(yù)應(yīng)力達(dá)不到預(yù)計(jì)的效果，以及由于接縫截面開(kāi)裂引起梁體主控截面內(nèi)力增大，導(dǎo)致梁體主控截面(第三跨跨中附近)出現(xiàn)開(kāi)裂，而主控截面開(kāi)裂后則進(jìn)一步引起其他截面內(nèi)力增大，梁體撓度進(jìn)一步增大(修正模型2)。此外，加上該橋超載車較多，交通量也在逐年增大，這也使梁體的狀態(tài)進(jìn)一步劣化。由于以上的綜合效應(yīng)，導(dǎo)致該橋出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂，預(yù)應(yīng)力度不足以及梁體剛度較大弱化等病害。

4 結(jié)論

由于采用支架逐孔現(xiàn)澆施工，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁施工時(shí)不可避免地需要設(shè)置施工接縫，采用預(yù)應(yīng)力連接器，雖然施工接縫一般設(shè)置在梁體彎矩反彎點(diǎn)，受力較小，但是如果施工時(shí)該處施工工藝不良，仍然可能造成接縫截面處出現(xiàn)開(kāi)裂病害。接縫截面開(kāi)裂導(dǎo)致梁體剛度發(fā)生變化，截面內(nèi)力將出現(xiàn)重分布現(xiàn)象，使其它截面受力不能滿足設(shè)計(jì)要求。本文通過(guò)荷載試驗(yàn)和理論計(jì)算的方法，對(duì)出現(xiàn)病害的預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁進(jìn)行了使用狀態(tài)評(píng)定及病害原因分析，為采用支架逐孔現(xiàn)澆施工和預(yù)應(yīng)力連接器的類似結(jié)構(gòu)和新建預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁的現(xiàn)澆施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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