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(1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034； 2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034)

1 工程背景

某鋼筋混凝土雙線連續(xù)剛構(gòu)橋橋跨布置為：20.5 m+24 m+24 m+20.5 m，其結(jié)構(gòu)布置圖見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)布置圖(單位：cm)

主梁采用分幅施工，剛構(gòu)頂面寬12.6 m，梁底及剛構(gòu)墩寬度為10 m，每側(cè)懸臂長1.3 m，懸臂根部高0.4 m，懸臂端部高0.2 m，剛構(gòu)頂板厚1.35 m，墩梁相接梗肋處縱向尺寸為3 m×0.8 m,分幅中間預(yù)留2 cm伸縮縫，采用瀝青木板填塞，橫斷面示意見圖2。

圖2 半I-I半II-II截面(單位：cm)

橋墩采用四邊形實(shí)體剛構(gòu)墩；支座采用球型鋼支座。該橋與線路夾角45°。

運(yùn)梁車馱梁(運(yùn)梁活載重量為二期恒載的2倍)行走后，發(fā)現(xiàn)梁體底部發(fā)現(xiàn)了大量的橫向裂縫，為保證后期運(yùn)營過程中的橋梁結(jié)構(gòu)安全，本文采用結(jié)構(gòu)檢測、有限元模擬，以及相關(guān)理論分析的方法分析裂縫原因，并根據(jù)目前的技術(shù)，結(jié)合本橋的特點(diǎn)，提出3種處治方案，并進(jìn)行方案比選。

2 結(jié)構(gòu)檢測現(xiàn)狀

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、施工過程記錄，以及相關(guān)方的材料，混凝土水膠比小于0.45，梁體拆模時(shí)間在混凝土澆筑完成后約1個(gè)月、基礎(chǔ)沉降穩(wěn)定，拆模后未發(fā)現(xiàn)貫通裂縫。

主梁混凝土試件56 d齡期抗壓強(qiáng)度最小值為47.3 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40的118.3%，無損檢測(回彈法)結(jié)果顯示主梁強(qiáng)度(齡期：900 d)最小推定值為50.5 MPa，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

底排縱向鋼筋保護(hù)層厚度采取取芯法測試，選取的4處底排縱向鋼筋實(shí)測保護(hù)層厚度分別為155，160，178，170 mm，均大于規(guī)定的底排縱向鋼筋保護(hù)層厚度44 mm，實(shí)測值不滿足規(guī)范要求。

采用無損檢測與鉆芯取樣相結(jié)合的方法對結(jié)構(gòu)裂縫病害進(jìn)行普查，裂縫展開平面布置見圖3，裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

圖3 主梁裂縫展開分布圖(單位：m)

表1 裂縫結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由圖3和表1可得，全橋發(fā)現(xiàn)裂縫共計(jì)231條，裂縫間距在0.10～1.50 m之間，最大裂縫寬度達(dá)0.50 mm，最大裂縫寬度大于200 mm，位于第一跨左幅。為進(jìn)一步驗(yàn)證裂縫深度，在第一跨左幅裂縫較寬處選取4處進(jìn)行鉆芯取樣，芯樣1～芯樣4的芯樣長度分別為21，18，21.5，20 cm，根據(jù)芯樣外觀觀測結(jié)果，裂縫深度分別為17，16，17.5，20 cm。

3 裂縫成因分析

鋼筋混凝土剛構(gòu)橋裂縫產(chǎn)生原因復(fù)雜，與多種因素有關(guān)，影響結(jié)構(gòu)的耐久性及承載力[1-2]。根據(jù)結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果，本橋主梁裂縫成因主要與運(yùn)梁車行走、底排縱向鋼筋保護(hù)層厚度過大有關(guān)。因此，采用有限元模擬和理論分析結(jié)合的方法，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)一步明確裂縫產(chǎn)生的原因。

3.1 有限元模型

本文采用midas Civil和midas FEA有限元軟件建立梁單元模型及實(shí)體模型，根據(jù)梁單元模型計(jì)算結(jié)果確定加載位置，并將荷載施加到實(shí)體模型中，計(jì)算不同工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。主梁、橋墩采用C40混凝土，主梁受力鋼筋采用HRB400鋼筋，按實(shí)際幾何尺寸建模，實(shí)體模型的鋼筋采用理想彈塑性模型，混凝土采用塑性損傷本構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)自重按混凝土25 kN/m3，鋼筋78.5 kN/m3計(jì)算，運(yùn)梁車行走前部分已經(jīng)施工的二期荷載(簡稱二期恒載1)單幅13 kN/m；全部施工完的二期荷載(簡稱二期恒載2)單幅80 kN/m。計(jì)算模型見圖4。

圖4 計(jì)算模型渲染圖

3.2 分析原理

分別計(jì)算3種工況(工況一，運(yùn)梁車行走前；工況二，運(yùn)梁車行走時(shí)；工況三，二期恒載鋪裝后)下的混凝土和鋼筋應(yīng)力變化趨勢，分析運(yùn)梁車行走對結(jié)構(gòu)受力的影響；計(jì)算不同保護(hù)層厚度時(shí)3種工況下的混凝土裂縫寬度變化情況，并與實(shí)測裂縫寬度對比，分析保護(hù)層厚度變化對裂縫的影響；找出裂縫產(chǎn)生的主、次要原因。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3種工況下跨中混凝土及鋼筋的最大拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖5、圖6及表2。

圖5 關(guān)鍵截面混凝土應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6 關(guān)鍵截面鋼筋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表2 各工況下跨中底板應(yīng)力表 MPa

由圖6、圖7及表2可得，工況二為最不利工況，與工況一相比，運(yùn)梁車行車引起的跨中混凝土應(yīng)力最大增量為4.74 MPa，鋼筋應(yīng)力最大增量為90.49 MPa；與工況三相比，運(yùn)梁車行車引起的跨中混凝土應(yīng)力最大增量為3.48 MPa，鋼筋應(yīng)力最大增量為68.51 MPa?；炷恋膽?yīng)力增量大于C40混凝土的極限抗拉強(qiáng)度2.7 MPa，因此，可以判斷運(yùn)梁車行走是造成跨中主梁開裂的一個(gè)原因。

鋼筋的應(yīng)力增量及絕對值均小于鋼筋的容許應(yīng)力270 MPa，說明最不利工況下鋼筋處于彈性工作范圍內(nèi)，未受損，鋼筋可以繼續(xù)使用，結(jié)構(gòu)可修復(fù)。

在不同工況荷載作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力及裂縫寬度計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力及裂縫寬度計(jì)算結(jié)果

由表2可得，鋼筋保護(hù)層厚度為理論厚度時(shí)，在最不利工況二作用下，跨中最大裂縫寬度為0.167 mm，小于規(guī)范限值0.2 mm；當(dāng)鋼筋保護(hù)層厚度為實(shí)測厚度時(shí)，跨中最大裂縫寬度分別為0.578 mm，大于規(guī)范限值0.2 mm。說明鋼筋保護(hù)層厚度的變化降低了主梁的有效高度，造成成橋后在恒載作用下產(chǎn)生一部分裂縫，當(dāng)運(yùn)梁車行走時(shí)，底板鋼筋應(yīng)力增大，造成混凝土裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，理論計(jì)算跨中裂縫寬度最大為0.578 mm，與實(shí)測最大裂縫寬度0.50 mm一致，在活載的反復(fù)作用下，混凝土開裂后導(dǎo)致殘余裂縫較大。

綜上可得，本橋的裂縫產(chǎn)生原因與鋼筋保護(hù)層厚度過大及運(yùn)梁車行走有關(guān)，鋼筋保護(hù)層厚度過大導(dǎo)致受拉區(qū)鋼筋配筋率不足，表層165 mm范圍內(nèi)僅素混凝土工作，是裂縫產(chǎn)生的根本及主要原因，運(yùn)梁車行走增加了裂縫擴(kuò)展，屬于裂縫產(chǎn)生的次要原因。

4 處治方案比選

粘貼碳纖維布、粘貼鋼板、施加體外預(yù)應(yīng)力、局部翻修等加固手段在橋梁維修工程的應(yīng)用越來越廣泛，且在不同的橋梁維修中均取得了不錯(cuò)的效果[3-6]。為解決主梁跨中受拉區(qū)配筋率不足引起的開裂問題，保證后期運(yùn)營過程中不再產(chǎn)生新的裂縫，制定了3種處治方案，分別為粘貼碳纖維布、粘貼鋼板、增加底排縱向鋼筋數(shù)量。

根據(jù)本橋特點(diǎn)，針對3種方案，從安全、工期、成本、施工難度、效果、后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用及交竣工驗(yàn)收等方面進(jìn)行了對比分析，結(jié)果見表4。

表4 各方案對比表

續(xù)表4

由表4可得，方案三具有工期短、成本低、后期無需特殊養(yǎng)護(hù)，且處治后外觀與新橋一致，不影響交竣工驗(yàn)收等優(yōu)點(diǎn)，故推薦方案三，即增加底排縱向鋼筋數(shù)量的方式。該橋處治后已驗(yàn)收并通車運(yùn)營，目前橋梁運(yùn)營狀況良好。

5 結(jié)語

文中對某鋼筋混凝土雙線連續(xù)剛構(gòu)橋主梁底部出現(xiàn)的大量橫向貫通裂縫，進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測并分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)裂縫成因主要與運(yùn)梁車行走、底排縱向鋼筋保護(hù)層厚度過大有關(guān)。

通過計(jì)算及理論分析得出：鋼筋保護(hù)層厚度過大導(dǎo)致受拉區(qū)鋼筋配筋率不足，表層165 mm范圍內(nèi)僅素混凝土工作，是裂縫產(chǎn)生的根本及主要原因；運(yùn)梁車行走增加了裂縫擴(kuò)展，屬于裂縫產(chǎn)生的次要原因。

為解決主梁跨中受拉區(qū)配筋率不足引起的開裂問題，保證后期運(yùn)營過程中不再產(chǎn)生新的裂縫，制定了3種處治方案，綜合對比安全、工期、成本、施工難度、效果、后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、交竣工驗(yàn)收等因素，推薦增加底排縱向鋼筋數(shù)量的方式，該橋處治后已驗(yàn)收并通車運(yùn)營，目前橋梁運(yùn)營狀況良好。