吳 杰,許 浩
(1.山東高速工程檢測(cè)有限公司,山東 濟(jì)南 250002; 2.麗水學(xué)院,浙江 麗水 323000)
現(xiàn)澆式實(shí)心板梁因構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便,是小跨徑橋梁中較為常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)形式。20 世紀(jì)90 年代設(shè)計(jì)建造的部分現(xiàn)澆式實(shí)心板梁在運(yùn)營(yíng)階段產(chǎn)生了各種病害,其中底板縱向開(kāi)裂問(wèn)題在該橋型中具有普遍性。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)梁體開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行了大量研究,蒲廣寧等[1]對(duì)梁端斜向裂縫進(jìn)行了分析,認(rèn)為腹板厚度過(guò)薄是產(chǎn)生斜向裂縫的原因。何兵[2]對(duì)先張法預(yù)應(yīng)力板梁進(jìn)行研究,認(rèn)為超載是板梁梁端主拉應(yīng)力超限的主要原因,并驗(yàn)證了粘貼鋼板法的加固效果。林源鋒等[3]認(rèn)為梁體在支座附近底板斜向開(kāi)裂產(chǎn)生原因?yàn)榱憾宋捶忮^和汽車(chē)超載。張文浩等[4]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),施工質(zhì)量缺陷是PC 板梁底板縱向開(kāi)裂的必要條件,主要包括底板厚度不足、混凝土強(qiáng)度不足。張巍[5]通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土空心板梁進(jìn)行荷載試驗(yàn),驗(yàn)證了早期裂縫對(duì)其極限承載能力基本沒(méi)有影響,經(jīng)封閉處理后能滿(mǎn)足正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求。這些研究成果均是針對(duì)裝配式上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂問(wèn)題,而對(duì)現(xiàn)澆式板梁的開(kāi)裂問(wèn)題鮮有涉及。
濰萊高速公路橋梁修建于1999 年,上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-超20、掛車(chē)-120。本段高速公路以中小跨徑橋梁為主,其中8 m 跨徑現(xiàn)澆整體式鋼筋混凝土實(shí)心板梁,頂板寬12 m,梁高0.4 m。
在定期檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆實(shí)心板梁底板存在沿跨徑方向貫通的縱向裂縫,最大縫寬1.30 mm,且裂縫出現(xiàn)在橋梁中心線(xiàn)附近,主裂縫附近還伴隨有與之平行的短裂縫,底板縱向裂縫均存在明顯滲水泛白痕跡,見(jiàn)圖1。
圖1 底板縱向開(kāi)裂
底板開(kāi)裂處對(duì)應(yīng)臺(tái)帽未發(fā)現(xiàn)明顯病害,基本排除不均勻沉降導(dǎo)致開(kāi)裂的可能。縱向裂縫進(jìn)行封閉處理后再次開(kāi)裂。其橫向剛度勢(shì)必削弱,且外界雨水、空氣等不利條件易對(duì)開(kāi)裂處鋼筋進(jìn)行銹蝕,進(jìn)一步加劇裂縫的發(fā)展,危機(jī)橋梁結(jié)構(gòu)安全。因此,必須對(duì)該橋進(jìn)行橫向補(bǔ)強(qiáng)加固。
根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,采用Midas Civil 建立有限元模型進(jìn)行荷載效應(yīng)分析計(jì)算。鑒于利用傳統(tǒng)桿系單元求解二維內(nèi)力困難,使用板單元模擬上部結(jié)構(gòu)并忽略?xún)蓚?cè)翼緣影響,計(jì)算恒載及活載作用產(chǎn)生的橫向彎矩效應(yīng)。
計(jì)算矩形截面受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力:
式中: γ0—橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);Md—彎矩組合設(shè)計(jì)值;fcd—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;fsd、—普通鋼筋抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;fpd、fpd—預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As、As—受拉區(qū)、受壓區(qū)普通鋼筋的截面面積,mm;Ap、—受拉區(qū)、受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積,mm;b—矩形截面寬度,mm;h0—截面有效高度,mm;a、—受拉區(qū)、受壓區(qū)普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的合力至受拉區(qū)、受壓區(qū)邊緣距離,mm;受壓區(qū)普通鋼筋合力點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)至受壓區(qū)邊緣的距離,mm;受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)處混凝土法向應(yīng)力等于零時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力,MPa。
使用Midas Civil 軟件計(jì)算可知,在恒載與設(shè)計(jì)荷載汽車(chē)-超20、掛車(chē)-120 基本組合作用下,板梁最大橫向彎矩為81.2 kN·m,恒載與現(xiàn)行公路-Ⅰ級(jí)基本組合作用下,板梁最大橫向彎矩為105.0 kN·m。根據(jù)每延米橫向配筋及截面高度,計(jì)算可得橫向承載能力為33.4 kN·m,即橫向彎矩承載能力遠(yuǎn)小于基本組合荷載作用值。且隨著交通量和荷載等級(jí)的提升,梁板橫向彎矩還會(huì)有所增加,加劇底板縱向開(kāi)裂趨勢(shì),與現(xiàn)場(chǎng)病害情況較好吻合。說(shuō)明僅按照構(gòu)造要求進(jìn)行橫向配筋并不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)承載需要,梁板橫向彎矩抵抗能力不足是縱向開(kāi)裂的主要原因。
(1)封閉裂縫處理。對(duì)于縫寬較小或因施工等早期原因產(chǎn)生的裂縫適宜用封縫膠進(jìn)行封閉處理。但對(duì)于受力產(chǎn)生的裂縫,僅用此方法處理后會(huì)再次開(kāi)裂,故本橋可輔助使用此處理方法。(2)粘貼加固法。是采用結(jié)構(gòu)膠粘貼補(bǔ)強(qiáng)材料以提高構(gòu)件承載力的方法。優(yōu)點(diǎn)是由于侵占梁下高度很小,適用于對(duì)凈空要求較高時(shí)使用;缺點(diǎn)是此加固方法為被動(dòng)加固,需要構(gòu)件二次受力才能發(fā)揮作用。(3)體外預(yù)應(yīng)力加固法。通過(guò)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力索對(duì)既有混凝土梁體主動(dòng)施加外力,以改善原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)的加固方法。體外索可調(diào)可換,控制合適張拉力值可以使既有裂縫閉合,且力矩相較于粘貼鋼板法增加,加固效果更加理想。
對(duì)粘貼鋼板加固試算,每延米長(zhǎng)度底板粘貼Q235 鋼板,厚8 mm 寬100 mm,橫向通長(zhǎng)布置。經(jīng)計(jì)算,其橫向承載能力為78.2 kN·m,較初始值提升了133%,但低于設(shè)計(jì)荷載基本組合作用值。如采用體外預(yù)應(yīng)力加固法,每延米選取2 束抗拉強(qiáng)度1 860 MPa 鋼絞線(xiàn),公稱(chēng)直徑為15.2 mm(1×7)進(jìn)行試算,加固后其橫向彎矩承載力為151.1 kN·m ,較初始值提升了352%,且滿(mǎn)足恒載與現(xiàn)行公路-Ⅰ級(jí)基本組合要求。見(jiàn)圖2。
圖2 沿跨徑方向橫向彎矩分布
由圖2 可知,主梁橫向彎矩效應(yīng)在跨中附近達(dá)到最大值,而后向兩側(cè)遞減。且隨荷載等級(jí)提升,橫向彎矩效應(yīng)隨之增加。粘貼鋼板加固對(duì)橫向抗彎能力提升有限,加固后尚低于設(shè)計(jì)荷載彎矩效應(yīng)。采用體外預(yù)應(yīng)力法加固后,主梁橫向抗彎能力有明顯提升,完全滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范[6]要求且有較大富余量。主動(dòng)加固對(duì)于既有裂縫可在一定程度上起到閉合作用,再配合裂縫封閉處理,可使主梁鋼筋免受外界侵蝕,保證結(jié)構(gòu)安全。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)澆式實(shí)心板梁橋梁底縱向開(kāi)裂機(jī)理進(jìn)行分析,認(rèn)為設(shè)計(jì)時(shí)并未充分考慮橫向彎矩作用,僅按照構(gòu)造進(jìn)行配置橫向鋼筋不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)承載要求。對(duì)比幾種加固方法,在對(duì)橋梁凈空要求較低時(shí),采用體外預(yù)應(yīng)力加固法配合封閉裂縫處理,可有效提升寬幅主梁橫向抗彎能力,避免縱向裂縫再次開(kāi)裂,保護(hù)梁內(nèi)鋼筋不受外界侵蝕。