李邦映， 屈計劃

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

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大跨度連續(xù)梁橋病害成因分析

李邦映， 屈計劃

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

大跨度預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在運營一段時間之后，容易出現(xiàn)箱梁腹板斜向或豎向開裂，底板縱向、橫向或斜向開裂，頂板縱向開裂，跨中變形等病害，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全和正常使用，有必要進行維修加固，維修加固目標確定和方案選擇應(yīng)建立在對病害現(xiàn)狀充分了解、病害成因基本清晰的基礎(chǔ)上。以某高速公路上的一座大跨度預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為例，分析該橋病害出現(xiàn)的可能原因，提出維修加固主要目標。

預應(yīng)力混凝土；連續(xù)梁橋；病害成因；維修加固

預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋由于具有施工工藝簡單成熟、材料來源廣、工程造價低、使用性能好、運營養(yǎng)護簡單等優(yōu)點，得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，在我國現(xiàn)役橋梁中占有較大的比重。但由于施工控制、材料選擇和養(yǎng)護等方面的問題，大跨度預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在運營一段時間之后，容易出現(xiàn)箱梁腹板斜向或豎向開裂，底板縱向、橫向或斜向開裂，頂板縱向開裂，跨中變形等病害，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全和正常使用，有必要進行維修加固[1-7]，但維修加固目標確定和方案選擇應(yīng)建立在對病害現(xiàn)狀充分了解、病害成因基本清晰的基礎(chǔ)上，盲目加固除了可能造成浪費，甚至會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反效果。特別是目前檢測技術(shù)仍停留在外觀檢查、強度檢測等常規(guī)檢測方面[8]，預應(yīng)力損失檢測等尚無成熟方法，理論分析、經(jīng)驗判斷仍是橋梁病害分析的主要手段。

本文以某高速公路上的一座大跨度預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為例，分析該橋病害出現(xiàn)的可能原因，提出維修加固主要目標。

1 工程概述

某橋為60 m+100 m+60 m三跨預應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁橋(圖1)，單幅橋面寬16.75 m，橋面布置為：0.5 m防撞護欄+15.75 m行車道+0.5 m防撞護欄，橋面橫坡為2%，設(shè)計汽車荷載等級為：公路-I級[9]。

上部結(jié)構(gòu)箱梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，箱梁根部梁高550 cm，跨中梁高220 cm，箱梁梁高按二次拋物線線型變化。箱梁頂板寬1 655 cm，底板寬800 cm，翼緣板懸臂長為427.5 cm；支點附近腹板厚度為75 cm，跨中腹板厚度為60 cm；底板厚度支點附近為70 cm，跨中為30 cm，中間按照二次拋物線變化；懸臂端部厚度20 cm，根部厚度為90 cm，箱內(nèi)頂板厚度為28 cm。箱梁橫橋向頂板設(shè)2%的橫坡。箱梁標準橫斷面，見圖2所示。箱梁采用縱、橫、豎三向預應(yīng)力體系，混凝土強度等級為C50。

圖1 橋梁總體布置圖

圖2 箱梁標準橫斷面圖(單位：cm)

2 主要病害

(1) 箱梁底板橫向、縱向、斜向開裂，邊跨箱梁底部有縱橋向裂縫，數(shù)量不多，縫寬均小于0.2 mm，裂縫無擴展趨勢；中跨箱梁底部有多條裂縫，絕大部分裂縫分布在1/4～3/4L范圍內(nèi)，跨中部分為橫橋向裂縫，其他區(qū)段以斜向為主，個別裂縫寬度大于0.2 mm。

(2) 箱梁腹板斜向或豎向開裂。箱梁腹板有多條豎向或斜向裂縫，下部均與底板裂縫交叉，上部大多數(shù)已超越1/2梁高，有的已經(jīng)延伸至翼緣板與腹板交界處，方向基本上與主拉應(yīng)力方向垂直，個別裂縫寬度大于0.2 mm，經(jīng)箱室內(nèi)檢查，此類裂縫大部分內(nèi)外已貫通。

(3) 橋面護欄及路面線形不平順，箱梁中跨局部變形明顯，與竣工高差相比，局部最大變形量達到13 cm。

3 病害成因分析

3.1 混凝土收縮徐變因素的影響

混凝土收縮徐變與空氣濕度、加載齡期、計算齡期等因素有關(guān)，橋位處的濕度、預應(yīng)力張拉時的加載齡期都有可能導致箱梁中跨合龍段附近梁段主拉應(yīng)力超標或底板出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力，如加載齡期為7 d時的徐變系數(shù)是加載齡期為14 d時的1.14倍[10]。在理論收縮徐變計算參數(shù)下，不同計算齡期對本橋混凝土主拉應(yīng)力及正應(yīng)力的影響見表1所列。

表1 收縮徐變的理論影響

該橋建成通車至今約有7年時間，收縮徐變從表1的理論計算結(jié)果可以看出，建成通車運營至今，收縮徐變對箱梁主拉應(yīng)力及變形增加影響較小，對正截面應(yīng)力有較明顯的影響。

以上僅為按照規(guī)范中的收縮徐變函數(shù)及終極值進行的理論計算，實際上收縮徐變是離散性比較大的參數(shù)，涉及到材料配合比、加載齡期、荷載作用時間等諸多因素，根據(jù)類似橋梁的研究結(jié)果：徐變終極值增大1.2倍時，10年后的長期變形達到修正前的1.5倍；當增大1.8倍時，長期變形達到4.35倍[6]。另外，在梁體開裂后，結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布使得頂?shù)装宓膽?yīng)力差增加，而當混凝土壓應(yīng)力增加時，除了彈性應(yīng)變以及相應(yīng)的徐變外，徐變系數(shù)也會隨之增加。徐變的加劇又將增加其引起的預應(yīng)力損失，而預應(yīng)力損失引起的應(yīng)力重分布又反過來增加徐變效應(yīng)。因此，混凝土的開裂將引起與預應(yīng)力、混凝土收縮徐變的強烈耦合效應(yīng)。

3.2 預應(yīng)力損失的影響

(1) 縱向預應(yīng)力損失的影響。以運營至今2 500 d的原結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)模型，預應(yīng)力損失對箱梁的影響見表2所列、圖3所示。

表2 縱向預應(yīng)力損失的影響

圖3 縱向預應(yīng)力損失15%時箱梁抗裂驗算結(jié)果(單位：MPa)

根據(jù)計算結(jié)果，縱向預應(yīng)力損失15%后，中跨跨中底板拉應(yīng)力集中在合龍段附近第3～4個梁段，底板拉應(yīng)力的位置及范圍與檢測情況基本一致，此時中跨跨中合龍段附近梁段主拉應(yīng)力僅為-0.81 MPa，未超過規(guī)范限值。

(2) 豎向預應(yīng)力損失的影響。以運營至今2 500 d、縱向預應(yīng)力損失15%的原結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)模型，對豎向預應(yīng)力進行折減以考慮豎向預應(yīng)力損失的情況，計算結(jié)果見表3所列、圖4所示。

表3 豎向預應(yīng)力損失的影響

圖4 豎向預應(yīng)力損失40%時箱梁抗裂驗算結(jié)果(單位：MPa)

根據(jù)上述計算結(jié)果，當縱向預應(yīng)力損失15%、豎向預應(yīng)力損失40%時，主梁主拉應(yīng)力和正應(yīng)力超過規(guī)范限值的位置和范圍與橋梁現(xiàn)狀基本一致，主梁變形增大2.3 cm。

3.3 結(jié)構(gòu)超重的影響

根據(jù)檢測及現(xiàn)場勘查結(jié)果，由于施工控制不當，箱梁內(nèi)部漏漿明顯，漏漿主要集中在中支點附近，至今未清除，節(jié)段錯臺較為明顯，根據(jù)該橋?qū)嶋H情況，假設(shè)結(jié)構(gòu)尺寸錯臺5 cm，結(jié)構(gòu)自重增加也不超過5%，考慮漏漿及建筑垃圾的影響，恒載超重偏安全采用5%計算，結(jié)果見表4所列、圖5所示。

表4 結(jié)構(gòu)超重的影響

圖5 結(jié)構(gòu)超重5%時箱梁抗裂驗算結(jié)果(單位：MPa)

根據(jù)上述計算結(jié)果，在原結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)超重5%使中跨3/8L附近箱梁主拉應(yīng)力增大0.06 MPa，底板正應(yīng)力降低0.23 MPa，變形增大0.8 cm。

3.4 橋面鋪裝超厚的影響

由于該橋施工控制措施不當且沒有進行有效的施工監(jiān)控，亦導致了主梁施工線型的較大偏差，可能導致橋面鋪裝超重，橋面鋪裝超厚的影響結(jié)果見表5所列、圖6所示。

表5 橋面鋪裝超厚的影響

圖6 橋面鋪裝超厚10 cm時箱梁抗裂驗算結(jié)果(單位：MPa)

根據(jù)上述計算結(jié)果，在原結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)下，橋面鋪裝超厚10 cm使中跨3/8L附近箱梁主拉應(yīng)力增大0.19 MPa，底板正應(yīng)力降低1.35 MPa，變形增大3.0 cm。

3.5 車輛超載的影響

車輛超載對結(jié)構(gòu)的影響與恒載超載的影響是類似的，特別是交通流量較大時，活載的一部分就可能形成類似于恒載的作用，造成結(jié)構(gòu)變形增大。由于該橋位于完全控制出入的高速公路上，超載車輛控制較為嚴格，即使超載一個車道(總重量增加267 t)，小于橋面鋪裝超厚5 cm增加的重量433 t，而且結(jié)構(gòu)正截面及斜截面抗裂驗算已考慮了部分活載的影響，因此，車輛超載對結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力和截面正應(yīng)力的貢獻率較低，全部轉(zhuǎn)化為恒載對撓度的貢獻值約為1 cm。

4 結(jié)束語

預應(yīng)力損失、超重超載、收縮徐變等造成梁體開裂、變形，而開裂、變形又可能造成預應(yīng)力損失、收縮徐變進一步增大，造成梁體病害進一步加劇。針對該橋主梁腹板出現(xiàn)豎向或斜向裂縫、底板出現(xiàn)橫梁裂縫和中跨跨中變形等病害，根據(jù)前述計算結(jié)果、結(jié)合橋梁檢測現(xiàn)狀，該橋出現(xiàn)病害的主要原因為：混凝土收縮徐變，預應(yīng)力損失；結(jié)構(gòu)超重、橋面鋪裝超厚、車輛超載等因素對病害出現(xiàn)的貢獻率較低，應(yīng)是次要原因。

為保證結(jié)構(gòu)安全和正常使用要求，根據(jù)現(xiàn)階段橋梁病害情況并結(jié)合前述分析結(jié)果，該橋需進行維修加固，該橋維修加固的主要目標為：

(1) 確保結(jié)構(gòu)滿足極限承載能力的要求；

(2) 對已有病害進行處理，抑制已有病害繼續(xù)發(fā)展；

(3) 降低箱梁法向拉應(yīng)力，增強箱梁底板抗裂能力；

(4) 降低箱梁腹板主拉應(yīng)力，增強箱梁腹板抗裂能力；

(5) 減緩或控制主梁繼續(xù)變形，維持現(xiàn)有主梁線形。

[1] 馬運朝.某連續(xù)梁大橋跨中裂縫分析和加固處理研究[J].交通科技,2013(6):34～36.[2] 宋 寧,許宏元,慕玉坤.大跨徑預應(yīng)力混凝土梁橋病害分析與加固對策[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2012(4):10～16.

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[8] 張勁泉,王文濤.橋梁檢測與加固手冊[M].北京:人民交通出版社，2007.

[9] JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[10] JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

2016-05-12

李邦映(1985-)，男，安徽舒城人，碩士，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司工程師．

U4483.215

A

1673-5781(2016)03-0300-04