雷 浪,劉顏滔,魏 程

(西安公路研究院有限公司 西安市 710065)

0 引言

隨著我國橋梁建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展,橋梁的結(jié)構(gòu)形式也更加豐富,其中預(yù)制小箱梁由于具有較大的截面抗扭強度、抗彎強度,能夠很好地滿足高等級公路行車高速、平穩(wěn)、舒適的要求,并且兼具造價較低、施工速度快的特點,在國內(nèi)外得到了十分迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1]。

雖然小箱梁因其優(yōu)良的截面特性被廣泛應(yīng)用,但由于設(shè)計荷載等級幾經(jīng)變化和提升、受建設(shè)年代條件所限、設(shè)計過于追求經(jīng)濟性、施工不規(guī)范或不當、車輛超載、結(jié)構(gòu)自身的老化和養(yǎng)護不力等原因,大量在役小箱梁橋結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了許多病害,其病害主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的各種裂縫,如腹板斜裂縫、腹板與頂板相接處縱向裂縫、箱梁底板縱橫向裂縫、腹板與底板交界處縱向裂縫、橋面板濕接縫處縱向裂縫等,隨著荷載的反復(fù)作用,裂縫進一步發(fā)展,使梁體整體剛度減弱,使用功能降低,承載能力下降,嚴重影響結(jié)構(gòu)耐久性[2]。

1 腹板斜裂縫發(fā)生和發(fā)展規(guī)律

近年來預(yù)制小箱梁主要大規(guī)模應(yīng)用在高速公路中,但由于設(shè)計上考慮不周、施工不當、超載車的影響再加上自身的老化和養(yǎng)護不夠等原因,現(xiàn)有小箱梁橋梁已經(jīng)出現(xiàn)了大量的病害。通過對多條高速公路一個多月的資料收集、走訪調(diào)查,整理收集了大量預(yù)制箱梁橋狀況。

本次調(diào)查對象為陜西省某高速上采用預(yù)制混凝土預(yù)應(yīng)力小箱梁的橋梁,病害情況較典型的橋梁有21座,設(shè)計荷載為汽車-超20,掛-120,上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定為三類和四類,結(jié)構(gòu)病害均比較嚴重,需要進行一定的加固或維修。以其中裂縫病害嚴重的某座橋梁為例,該橋6孔一聯(lián),共有132條裂縫,統(tǒng)計裂縫病害情類型見表1。

表1 裂縫類型統(tǒng)計

由表1的統(tǒng)計結(jié)果可知,預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制箱梁出現(xiàn)的裂縫病害中,大部分都是腹板斜裂縫、腹板豎向裂縫、底板縱向裂縫和橫向裂縫。其中出現(xiàn)腹板斜裂縫病害比例較高,因此研究腹板斜裂縫病害機理對常見中小跨徑橋梁的養(yǎng)護和加固具有重大意義。

1.1 病害規(guī)律

如圖1所示,腹板斜裂縫大致分布于梁端到四分點附近,且沿跨中左、右兩側(cè)對稱分布,和水平面的夾角為25°～50°。分析認為,出現(xiàn)這種裂縫主要是由于箱梁在支座附近剪應(yīng)力過大、腹板抗剪能力不足,主拉應(yīng)力方向抗裂安全儲備考慮不充分等因素所致。隨著運營荷載的增長及外界環(huán)境因素的影響,箱梁腹板部分裂縫有變寬、加重的跡象;重車通過時,腹板斜縫有擴展跡象。

圖1 預(yù)制箱梁腹板斜裂縫典型病害圖

腹板斜裂縫一般是混凝土主拉應(yīng)變超限導(dǎo)致其開裂。腹板抗剪能力較弱,在腹板厚度偏小、箍筋設(shè)置偏少、彎起鋼束設(shè)置不合理、鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失嚴重、模板滑動導(dǎo)致板厚增加、現(xiàn)澆層過厚、施工質(zhì)量較差或支座伸縮縫病害的誘因下產(chǎn)生斜裂縫,裂縫產(chǎn)生后由于鋼筋的布置不合理,無法有效限制裂縫發(fā)展。

箱梁腹板抵抗開裂的能力主要是由腹板本身的混凝土的抗剪能力、腹板混凝土中的豎向抗剪預(yù)應(yīng)力鋼筋及腹板中的普通鋼筋組成,對腹板抗裂來說前兩者是最主要的。后者是對前兩者的補充,能夠防止裂縫的進一步擴展。所以,普通鋼筋不足,裂縫一旦出現(xiàn),應(yīng)力就很大,隨著荷載的反復(fù)作用,裂縫進一步增長和擴寬,使梁體的整體剛度降低,承載能力下降。隨著時間的推移,在荷載的不斷作用下,梁體狀況加劇惡化,最終趨于破壞。

1.2 影響因素

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋腹板裂縫產(chǎn)生的原因是多方面的,極其復(fù)雜,涉及設(shè)計計算和構(gòu)造、施工工藝、氣候條件、日常養(yǎng)護等各個方面,而且在實際工程中往往是多個因素的綜合作用致使梁體開裂[3-5]。

(1)設(shè)計因素

結(jié)構(gòu)或構(gòu)造不合理(腹板尺寸不足)、截面配筋不足、結(jié)構(gòu)物不均勻沉降等會導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

(2)施工因素

模板定位不準確導(dǎo)致腹板厚度不足,混凝土振搗不密實導(dǎo)致腹板出現(xiàn)局部坑洞,預(yù)應(yīng)力管道起彎位置定位不準確,混凝土養(yǎng)生不到位,模板滑動導(dǎo)致主梁自重增加,拆模過早等都可能導(dǎo)致腹板產(chǎn)生斜裂縫。

(3)養(yǎng)護管理因素

高速公路路段重載、超載車輛較多;日常養(yǎng)護不到位,鋼筋銹蝕嚴重等。

2 腹板斜裂縫病害機理分析

為了探究導(dǎo)致預(yù)制小箱梁產(chǎn)生腹板斜裂縫的原因,在此分析預(yù)應(yīng)力損失、結(jié)構(gòu)自重偏差、移動荷載提升三種條件下小箱梁各關(guān)鍵斷面上主拉應(yīng)力的變化情況,找出導(dǎo)致預(yù)制小箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫的可能原因,暫時不考慮設(shè)計因素。

采用Midas Civil對某高速3×20m預(yù)制混凝土小箱梁控制截面各施工階段以及運營階段的箱梁腹板進行主拉應(yīng)力進行計算,各個控制截面位置如圖2所示,其中1#、9#控制截面為小箱梁距支座1/8跨處;2#、10#控制截面為小箱梁距支座1/4跨處;3#、11#控制截面為小箱梁距支座3/8跨處;4#、12#控制截面為小箱梁跨中位置處;其中5#控制截面為小箱梁距支座5/8跨處;其中6#控制截面為小箱梁距左側(cè)支座3/4跨處;其中7#控制截面為小箱梁距支座7/8跨處;其中0#、8#控制截面為小箱梁支座位置。各個截面選取的應(yīng)力關(guān)鍵點位置如圖3所示。

圖2 控制截面位置示意圖

注:1為頂板上緣;2為梗腋位置;3為中性軸位置;4為箱梁底板倒角位置; 5為底板下緣。

考慮不同荷載組合作用下小箱梁在施工階段和使用階段的頂?shù)装濉⒏拱鍛?yīng)力分布,得出最不利組合作用下小箱梁頂?shù)装?、腹板?yīng)力分布。以此為基礎(chǔ),分析預(yù)應(yīng)力損失、梁體預(yù)制自重偏差、荷載等級提升對小箱梁結(jié)構(gòu)抗裂性影響,找出小箱腹板斜裂縫的成因。

2.1 預(yù)應(yīng)力損失

在實際工程中,由于預(yù)應(yīng)力張拉力不足、錨具回縮量過大、鋼絞線松弛、孔道與鋼絞線摩擦過大等因素導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失與理論計算值有較大出入,甚至在施工或結(jié)構(gòu)服役過程中出現(xiàn)斷絲等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力嚴重不足,結(jié)構(gòu)腹板、頂板、底板因此出現(xiàn)一些受力裂縫,預(yù)應(yīng)力嚴重損失也是小箱梁腹板斜裂縫產(chǎn)生的主要原因之一。為了分析鋼絞線預(yù)應(yīng)力大量損失對小箱梁裂縫的影響,以錨下控制應(yīng)力的減小模擬小箱梁實際運用中鋼絞線預(yù)應(yīng)力的損失。分別假設(shè)預(yù)應(yīng)力束錨下控制應(yīng)力整體損失0、10%、20%、30%來模擬有效預(yù)應(yīng)力損失0、10%、20%、30%的效果,在準永久作用效應(yīng)最不利組合作用下,0#～12#截面的主拉應(yīng)力結(jié)果如圖4所示,根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》6.3.1條規(guī)定,應(yīng)力限值0.7ftk=1.855MPa。

圖4 不同程度應(yīng)力損失下主應(yīng)力結(jié)果

由圖4可以看出,在有效預(yù)應(yīng)力損失不斷增大的條件下,各關(guān)鍵截面最大主拉應(yīng)力均有所增加,特別是在8#截面主拉力由1.00MPa、1.17MPa到1.50MPa最終增長到1.847MPa,增長明顯,增長幅值較大,非常接近規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值,認為預(yù)應(yīng)力嚴重損失很可能導(dǎo)致預(yù)制小箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫。

2.2 箱梁自重偏差

在小箱梁的預(yù)制過程和梁體安裝架設(shè)過程中,模板制造安裝誤差、工人施工質(zhì)量、混凝土材料配合比、振搗質(zhì)量、底模位置放樣等都會使小箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制自重產(chǎn)生一定偏差,小箱梁自重作為橋梁結(jié)構(gòu)的主要荷載,其自身自重的偏差會對整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平產(chǎn)生不可忽略的影響,自重偏差過大,可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)。在有限元軟件中通過調(diào)整結(jié)構(gòu)自重系數(shù)來模擬結(jié)構(gòu)自重偏差,假設(shè)結(jié)構(gòu)自重分別增加0、3%、7%、10%,在準永久作用效應(yīng)最不利組合作用下0#～12#截面的主拉應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同自重增幅作用下應(yīng)力結(jié)果

由圖5可以看出,在結(jié)構(gòu)自重不斷增大的條件下,0#～2#、6#～10#截面主拉應(yīng)力有所增加;3#～5#、11#、12#截面最大主拉應(yīng)力反而有一定減小,但整體應(yīng)力水平均較低,與規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值相比均有一定的安全儲備,認為結(jié)構(gòu)自重偏差不是導(dǎo)致預(yù)制小箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫的主要原因。0#～2#、6#～10#截面為彎矩剪力綜合控制區(qū)或負彎矩控制,預(yù)制箱梁先簡支后連續(xù)施工,正彎矩遠比負彎矩大,主拉應(yīng)力中剪應(yīng)力貢獻較大,3#～5#、11#、12#截面受力以正彎矩控制,主拉應(yīng)力中彎矩正應(yīng)力貢獻較大。

2.3 荷載等級提升

現(xiàn)階段高速公路和國省干線大量在役橋梁均按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)規(guī)范設(shè)計,而交通部2015年頒布新版《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015),公路I級移動荷載相比2004年規(guī)范均有所增加。分析荷載等級由2004年規(guī)范的公路I級提升到2015規(guī)范對大量在役預(yù)制小箱梁工程具有重要意義。2004規(guī)范和2015規(guī)范公路I級移動荷載作用下各斷面位置4主拉應(yīng)力如圖6所示,2004規(guī)范和2015規(guī)范公路I級荷載的最不利準永久作用效應(yīng)下各關(guān)鍵斷面主拉應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。

圖6 移動荷載作用下位置4主拉應(yīng)力

圖7 不同規(guī)范移動荷載作用下各斷面應(yīng)力結(jié)果

由圖6可知,2004規(guī)范移動荷載作用下各截面位置4主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在邊跨跨中位置,最大值為3.76MPa;2015規(guī)范移動荷載作用下各截面位置4主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在邊跨跨中位置,最大值為4.43MPa。邊跨位置最大主拉應(yīng)力由3.76MPa增大到4.43MPa,應(yīng)力增加0.67MPa,應(yīng)力增幅明顯。

由圖7可知,2015規(guī)范公路I級荷載的最不利短期作用效應(yīng)下各關(guān)鍵截面主拉應(yīng)力均比2004規(guī)范增大,最大值在11#斷面,由1.25MPa增大到1.32MPa,增幅5.6%,與規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值相比有一定的安全儲備,因此認為荷載等級提升不是導(dǎo)致預(yù)制小箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫的主要原因,但移動荷載作用下截面主拉應(yīng)力增幅明顯,會對已有裂縫的發(fā)展有一定的促進作用。

綜合大量實橋調(diào)查,橋梁自重偏差一般不超過5%,而正常運營十年左右,預(yù)應(yīng)力損失一般可達到25%左右,在實際工程中預(yù)應(yīng)力損失較容易達到20%～30%,而因預(yù)制箱梁施工導(dǎo)致主梁自重增大10%的可能性較小。綜上分析認為:有效預(yù)應(yīng)力損失過大是腹板產(chǎn)生斜裂縫的主要原因。

3 結(jié)語

腹板斜裂縫是高速公路常見中小跨徑橋梁中的主要病害之一,文章針對某高速公路21座預(yù)制小箱梁病害情況,總結(jié)出預(yù)制小箱梁腹板斜裂縫發(fā)生位置和發(fā)展情況。由于腹板斜裂縫是截面承載力不足的表現(xiàn),對預(yù)制小箱梁腹板主拉應(yīng)力從預(yù)應(yīng)力損失、梁體預(yù)制自重偏差、荷載等級提升方面進行敏感性分析,探究腹板斜裂縫病害機理,認為預(yù)應(yīng)力損失是腹板產(chǎn)生裂縫的主要原因。在工程實踐中,對于腹板斜裂縫一般采取粘貼鋼板、腹板截面加厚等方法提高其截面抗剪承載力,改善其結(jié)構(gòu)受力,進而達到控制裂縫的效果[6]。