李星明
(山西遠(yuǎn)方路橋(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西 大同 037006)
本文以某簡支轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)為例,通過現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),主梁裂縫主要有沿腹板分布的豎向及斜向開裂、T梁橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)豎向及斜向開裂及腹板馬蹄貫穿開裂三種。開裂病害整體處于可控狀態(tài),經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),裂縫寬度基本介于0.05~0.18 mm范圍內(nèi),且不同結(jié)構(gòu)位置的開裂在車輛沖擊荷載作用下呈現(xiàn)出明顯的“開合”現(xiàn)象,腹板底部、橫隔板底部未出現(xiàn)貫穿開裂,主梁截面的整體性良好,截面抗彎剛度未被明顯破壞;此外,單個(gè)梁裂縫分布基本呈左右對稱分布,表明主梁結(jié)構(gòu)橫向荷載分布合理,未出現(xiàn)明顯的偏載破壞,也間接表明T梁橫向連接系安全、可靠。
對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言,絕大部分受力構(gòu)件均處于帶裂縫工作狀態(tài),與鋼筋相比,混凝土材料的抗拉壓強(qiáng)度較低,且混凝土屬于人工非均質(zhì)材料,不同環(huán)境、條件下拌合澆筑的混凝土材料性能離散性較大,因此,在鋼筋混凝土承重構(gòu)件中,混凝土承載屬于次要功能,尤其是抗彎拉性能,材料的抗壓和保護(hù)作用才是混凝土材料的關(guān)鍵功能。雖然帶裂縫工作是混凝土結(jié)構(gòu)的常態(tài),但為了保證鋼筋混凝土構(gòu)件的截面剛度、荷載穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)完整性,規(guī)范中對混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫寬度及發(fā)展形勢有較為嚴(yán)格的限定,在結(jié)構(gòu)服役全過程中,必須始終保證結(jié)構(gòu)裂縫處于規(guī)范限值以下,一旦裂縫寬度超限或裂縫發(fā)展失控,意味著結(jié)構(gòu)在荷載作用下將出現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性大變形,這在橋梁結(jié)構(gòu)工程中是絕對不允許的。以預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁為例,根據(jù)裂縫成因機(jī)理差異,可將T梁裂縫分為荷載開裂和非荷載開裂兩部分。表1就簡支轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁裂縫分布進(jìn)行了總結(jié)。
荷載開裂是在車輛荷載、基礎(chǔ)不均勻沉降、溫度效應(yīng)及結(jié)構(gòu)體系改變等因素綜合作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)應(yīng)力突變而引起的結(jié)構(gòu)開裂。根據(jù)受力工況不同,荷載開裂可進(jìn)一步細(xì)分為抗彎開裂、抗剪開裂及荷載局部擾動(dòng)開裂三種。
表1 簡支轉(zhuǎn)連續(xù)預(yù)應(yīng)力T梁裂縫
荷載局部擾動(dòng)開裂多發(fā)于簡支轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁的施工過程中。局部擾動(dòng)開裂局限性較大,對于簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T型梁而言,容易出現(xiàn)擾動(dòng)開裂的位置主要有跨中翼板頂部張拉開裂、濕接段張拉局部應(yīng)力集中開裂等。以簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁墩頂負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力張拉施工過程為例,在預(yù)應(yīng)力張拉作用下,如果施工控制不當(dāng)將出現(xiàn)局部應(yīng)力擾動(dòng)開裂。為了提高施工一體化程度,一般先對預(yù)應(yīng)力T梁完成橫向聯(lián)系,再對主梁整體施加墩頂負(fù)彎矩區(qū)濕接段預(yù)應(yīng)力,如果預(yù)應(yīng)力施加不當(dāng),墩頂上緣應(yīng)力狀態(tài)將從壓應(yīng)力逐步向拉應(yīng)力過渡,一旦拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度限值,將導(dǎo)致墩頂上緣出現(xiàn)橫向開裂。以邊梁為例,通過分析現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了以下應(yīng)力變化結(jié)果,具體如圖1所示。
圖1 不同張拉應(yīng)力作用下的上緣應(yīng)力變化情況
分析圖1可知,隨著張拉控制應(yīng)力的逐步下降,上緣應(yīng)力逐步從壓應(yīng)力向拉應(yīng)力過渡,在局部拉應(yīng)力擾動(dòng)下,上緣將出現(xiàn)荷載開裂,產(chǎn)生橫向裂縫,嚴(yán)重影響濕接段的結(jié)構(gòu)剛度和整體性,因此,在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變過程中,必須嚴(yán)格控制濕接段的張拉控制力,確保張拉控制力不低于標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的70%。
和擾動(dòng)開裂不同的是,抗彎開裂和抗剪開裂病害基本出現(xiàn)在運(yùn)營階段。以預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T型梁為例,在豎向動(dòng)靜荷載的作用下,T型梁馬蹄底部拉應(yīng)力一旦超過混凝土抗拉強(qiáng)度限值,將出現(xiàn)橫向開裂,抗彎開裂危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在彎矩最大位置,一旦梁底裂縫寬度超過限值,混凝土截面抗彎剛度和完整性將被嚴(yán)重削弱,混凝土保護(hù)層的保護(hù)功能將被破壞。除了抗彎開裂外,抗剪開裂也是鋼筋混凝土T梁常見的裂縫類型之一,尤其是簡支轉(zhuǎn)連續(xù)結(jié)構(gòu),在負(fù)彎矩位置非常容易出現(xiàn)抗剪開裂。剪切裂縫一般出現(xiàn)在斜截面主拉應(yīng)力不足的位置,主裂縫一般與梁底邊緣呈45°夾角,主裂縫周圍伴隨衍生出眾多次裂縫,如果不能及時(shí)處治,剪切開裂位置混凝土將被“剪碎”,出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)狀開裂破壞。
除了荷載開裂外,剩余因素導(dǎo)致的開裂均可歸結(jié)到非荷載開裂類型中。常見的非荷載開裂主要有:材料干縮開裂、溫度變形開裂及永久性開裂等?;炷猎谀Y(jié)硬化過程中,隨著水分蒸發(fā),混凝土干縮效應(yīng)顯現(xiàn),在混凝土表面誘導(dǎo)出現(xiàn)大量的毛細(xì)網(wǎng)狀開裂,干縮開裂裂縫數(shù)量眾多,但寬度較小,一般不大于0.15 mm,分布隨機(jī)性較強(qiáng),沒有明顯規(guī)律。溫度開裂可以用熱脹冷縮解釋,尤其是連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系中,由于約束數(shù)量較多,超靜定結(jié)構(gòu)在溫度應(yīng)力作用下,溫度變形被約束,進(jìn)而產(chǎn)生溫度應(yīng)力,溫度應(yīng)力超過混凝土材料抗拉強(qiáng)度后將出現(xiàn)溫度開裂。永久性開裂是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要反饋信號(hào),永久性開裂不同于其他非荷載開裂,其形成及發(fā)展周期較長,混凝土粗骨料在“堿-骨料”反應(yīng)、化學(xué)侵蝕等作用下,骨料變形受到鋼筋骨架約束后沿鋼筋骨架分布方向出現(xiàn)開裂,在簡支轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁中,常見于變截面交界處、腹板底部等位置。
綜上分析可知,各種荷載及非荷載開裂是簡支轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁最常見的病害類型之一,不同裂縫對橋梁結(jié)構(gòu)的服役能力的影響程度差異較大,在具體工程實(shí)踐中,必須首先明確不同位置及不同裂縫的形成機(jī)理,根據(jù)成因差異,制定針對性的處治措施,以最大程度降低開裂對橋梁結(jié)構(gòu)各項(xiàng)工況的影響。