摘要 裂縫是鋼筋混凝土橋梁結構的主要病害之一，雖然細小的裂縫對結構的使用功能無大的危害，但是裂縫的發(fā)展往往會對橋梁結構的耐久性產(chǎn)生影響，嚴重時甚至危害結構的正常使用，因此必須對橋梁結構的裂縫加強監(jiān)測和控制。文章通過采用自動化監(jiān)測技術，對連續(xù)剛構橋主跨腹板豎向裂縫寬度變化進行監(jiān)測，同時輔以石膏標記法觀測裂縫的發(fā)展及走向，并通過典型裂縫對其變化情況進行分析，為養(yǎng)護決策提供依據(jù)。

關鍵詞 橋梁結構；裂縫；自動化；監(jiān)測；變化；石膏標記法

中圖分類號 U445.7 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0012-03

0 引言

截至2022 年底，我國公路總里程535 萬公里左右，其中高速公路17.7 萬公里，形成了以高速公路為骨架、普通干線為脈絡、農(nóng)村公路為基礎的全國公路網(wǎng)，為社會經(jīng)濟的發(fā)展提供了堅實的交通保障。但隨著公路使用年限的增加，橋梁各部位將出現(xiàn)不同的病害，而裂縫作為最常見的病害之一，其發(fā)展往往會導致混凝土碳化和鋼筋銹蝕，影響橋梁混凝土的強度和穩(wěn)定性，影響橋梁結構的使用壽命[1]。為掌握裂縫開裂的損壞程度，預測其發(fā)展趨勢，進而提出建議措施，應對橋梁定期檢查中發(fā)現(xiàn)的較嚴重開裂進行特殊檢測，通過現(xiàn)場測試和其他輔助試驗，對橋梁現(xiàn)狀進行分析，形成評定結論，以指導橋梁養(yǎng)護、加固和維修工作。

1 橋梁裂縫產(chǎn)生的原因及常用的裂縫監(jiān)測技術

鋼筋混凝土橋梁結構裂縫產(chǎn)生的原因比較復雜，可能是多種因素相互作用的結果。但裂縫一般由以下三個方面的因素引起：一是外荷載（如靜、動荷載）的直接應力或結構次內(nèi)力引起；二是由變形因素（溫濕度變化、收縮和膨脹、基礎不均勻沉降等因素）引起；三是由耐久性因素（如鋼筋銹蝕、凍脹、原材料質量、施工工藝質量等因素）[2，4] 引起。目前，常用的裂縫監(jiān)測方法有超聲波檢測法、沖擊彈性波法、聲發(fā)射檢測法、攝影檢測法、傳感儀器監(jiān)測、光纖傳感網(wǎng)絡監(jiān)測等[3]。具體的裂縫監(jiān)測常常采用多種監(jiān)測方法相結合的方式。

2 橋梁裂縫自動化監(jiān)測技術的應用

為掌握某大橋主、副航道連續(xù)剛構外腹板斜裂縫的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，通過采用振弦式傳感器裂縫自動化監(jiān)測技術，使用應變傳感器和無線采集設備進行裂縫寬度監(jiān)測，同時輔助石膏作為標記方法，觀測裂縫裂開情況，判斷裂縫的發(fā)展趨勢及走向。該文以主航道橋主跨腹板豎向裂縫寬度變化為例，通過典型裂縫監(jiān)測技術的應用對其變化情況進行分析。

2.1 工程概況

（1）結構概況：某省道大橋全長3 145.18 m，其中主航道橋為（70 ＋ 2×125 ＋ 70）m預應力混凝土連續(xù)剛構，單箱單室箱梁截面，懸臂澆筑施工，于1993 年11 月通車。設計荷載為汽車－超20 級，掛車－ 120。

（2）橋梁主要病害及處理：2012 年針對該大橋主航道橋主梁中跨跨中下?lián)稀⑾淞毫后w嚴重開裂等病害，采用箱內(nèi)腹板加厚、腹板加厚部分增設體內(nèi)預應力束、箱梁頂板黏結鋼板等方式進行加固。加固后定檢報告顯示主航道橋箱外腹板存在271 條斜裂縫，9 條裂縫寬度超限。

2.2 裂縫檢測方案

（1）監(jiān)測項目：定期檢查（1 次/ 季度，共4 次）、自動化監(jiān)測（1 次/2 h，時長為1 年）、深度檢測（1 次/季度，共4 次）。

（2）主要儀器設備：裂縫測寬儀、數(shù)碼照相機、振弦式測縫計、多通道數(shù)據(jù)采集站、基樁多跨孔超聲波自動循測儀等。

（3）構件編號規(guī)則：對橋跨、墩臺、主梁，按照方向與方位對裂縫進行編號。

2.3 定期檢查

利用石膏標記，同時檢查既有腹板斜裂縫的寬度和長度，并通過觀測石膏標記的裂縫是否裂開，判斷裂縫是否發(fā)展，同時檢查是否有新增裂縫。

2.3.1 裂縫標記

（1）短裂縫：在裂縫兩端用石膏作跨縫標記，以便下次定期檢查。通過觀測石膏標記的裂縫是否裂開，判斷裂縫是否發(fā)展。

（2）長裂縫：不僅在裂縫兩端用石膏作標記，還需沿縫長的中間部位進行標記，以便下次定期檢查。通過觀測石膏標記的裂縫是否裂開，判斷裂縫是否發(fā)展。

2.3.2 裂縫量測

裂縫寬度采用裂縫測寬儀對最大裂縫寬度量測，裂縫長度采用鋼卷尺量測，并用水筆標記出量測位置，用于后續(xù)檢查。

2.3.3 裂縫位置走向

先用水筆在箱外腹板上描繪出裂縫的位置、走向并標記編號，并用鋼卷尺量測裂縫兩端距節(jié)段施工縫、梗腋及梁底的距離。

2.3.4 裂縫編號

某墩號－小里程/ 大里程－節(jié)段號－第n 條裂縫，如編號為25-X-1-1。

2.3.5 檢查結果

分別對各期裂縫的條數(shù)、裂縫長度、裂縫表面寬度進行記錄，統(tǒng)計裂縫寬度＜ 0.15 mm、裂縫寬度≥ 0.15 mm的條數(shù)及裂縫合計長度；并將各期數(shù)據(jù)進行對比，進而分析判斷裂縫發(fā)展狀況及新增裂縫情況，同時記錄裂縫分布、裂縫形態(tài)等。

2.4 典型裂縫寬度自動化監(jiān)測

2.4.1 裂縫寬度測試方法

（1）測試原理：振弦式測縫計在混凝土表面跨縫布置，裂縫寬度的變化可近似等同于測縫計內(nèi)部的鋼弦長度變化。當裂縫寬度發(fā)生變化時，將帶動振弦式測縫計兩端安裝底座，拉動鋼弦使鋼弦長度發(fā)生變化，從而改變鋼弦的自振頻率。通過測試鋼弦的自振頻率變化量，并根據(jù)鋼弦拉伸應變與自振頻率變化量的對應關系，計算出鋼弦的拉伸應變；根據(jù)計算出的鋼弦拉伸應變和已知的測縫計初始標距，計算出裂縫寬度的變化量。

（2）振弦測縫計設備選型及技術參數(shù)設備采用BGK-4200 振弦式測縫計，測試精度1 με，測試范圍為?3 000～+3 000 με，初始標距153 mm。

（3）裂縫寬度變化量計算公式：

Δε=G×C×（ f12?f02）+（Y1?Y2）×（T1?T2） （1）

Δl=Δε×10?6×l （2）

式中，Δε—— 微應變；Δl—— 裂縫寬度的變化量；G—— 振弦式測縫計的標準系數(shù)；C—— 標定后的平均修正系數(shù)；f0、f1—— 初始頻率、當前頻率；T1、T2——分別為初始溫度、當前溫度；Y1、Y2—— 鋼弦材料的熱膨脹系數(shù)、混凝土的熱膨脹系數(shù)，Y1 取12.2 με/℃，Y2 取10.4 με/℃；l—— 振弦式測縫計的初始標距，取153 mm。

根據(jù)振弦式測縫計的技術參數(shù)以及裂縫寬度變化量的計算公式，推導出裂縫寬度變化量的測試精度為0.000 153 mm， 裂縫寬度變化量的測試量程為?0.459～+0.459 mm。

2.4.2 典型裂縫選取及監(jiān)測點布置

根據(jù)第1 期檢查結果，選取中跨l/4～3l/4 附近區(qū)域縫寬＞ 0.15 mm 的腹板斜向裂縫作為典型裂縫，進行裂縫寬度自動化監(jiān)測；并對主航道橋的縫寬監(jiān)測點及采集站進行布置。

2.4.3 檢測結果

該項目實施周期內(nèi)，裂縫寬度監(jiān)測結果如表1 所示，裂縫寬度—時間曲線以及溫度－時間曲線如圖3 所示（僅以典型裂縫26-X-14-1 號為例，其他曲線略）。由表1 及圖3 可知，在監(jiān)測時間區(qū)間內(nèi)：

（1）主航道橋左幅橋箱外腹板典型裂縫的寬度無明顯增長，裂縫平均變化量為?0.007～0.007 mm。

（2）主航道橋左幅橋箱外腹板典型裂縫的寬度無明顯增長，裂縫平均變化量為0.197 mm，主航道橋左幅橋箱外腹板典型裂縫的寬度與溫度之間存在一定的相關性，典型裂縫基本隨溫度升高，裂縫寬度增大，反之則裂縫寬度減小。

2.5 裂縫深度檢測

采用超聲檢測法中的單面平測法，對箱外腹板典型的斜裂縫進行深度檢測。

（1）檢測原理：在混凝土表面布設聲波發(fā)射器（發(fā)射換能器T）和聲波接收器（接收換能器R），當激勵產(chǎn)生的聲波遇到裂縫時，聲波被隔斷并在裂縫端部衍射通過。

基于上述基本原理，可通過測試在相同材質的混凝土（聲速相同）中的聲波傳播時間，對比聲波在不跨縫和跨縫的混凝土中傳播時間差來推定裂縫深度。

（2）檢測對象及監(jiān)測結果。根據(jù)第2 期典型自動化監(jiān)測結果，選取了主航道橋縫寬gt;0.15 mm 具有代表性的腹板斜向裂縫作為裂縫深度檢測對象。

（3）裂縫深度檢測結果。大橋主航道橋典型裂縫26-D-12-5、26-X-12-3 的第1～4 次裂縫深度檢測結果匯總如表2 所示。檢測最大裂縫深度43 mm，設計保護層厚度50 mm，裂縫深度小于混凝土保護層厚度，裂縫對結構不會造成影響。

2.6 監(jiān)測分析

2.6.1 定期檢查

（1）外腹板裂縫數(shù)量、長度及寬度。主航道橋左幅橋箱外腹板斜裂縫共計83 條，裂縫長度為0.52～2.96 m，裂縫表面寬度為0.04～0.34 mm。其中，裂縫寬度＜ 0.15 mm的斜裂縫共計35 條，裂縫長度合計為45.44 m；裂縫寬度≥ 0.15 mm 的斜裂縫共計48 條，裂縫長度合計為72.62 m。

（2）裂縫形態(tài)及分布。主航道橋左幅橋箱外腹板斜裂縫主要集中分布在邊跨l/4、中跨l/2～3l/4 附近區(qū)域內(nèi)；斜裂縫形態(tài)表現(xiàn)為中間較寬，逐漸向兩端收斂，大部分斜裂縫角度為15～45°。

（3）裂縫增長情況。與第1 期檢查結果對比，在第2～4 期檢查中，未見新增裂縫，裂縫的長度和寬度未見明顯增長。

2.6.2 典型裂縫自動化監(jiān)測

監(jiān)測期內(nèi)，主航道橋左幅橋箱外腹板典型裂縫的裂縫寬度無明顯增長。

2.6.3 深度檢測

主航道橋箱外腹板典型裂縫第1～4 次的裂縫深度檢測結果表明，典型裂縫26-X-12-3、26-D-12-5 的最大裂縫深度分別為32 mm、43 mm；對比第2～4 次裂縫深度檢測結果可知，典型裂縫26-X-12-3、26-D-12-5 裂縫深度無增長趨勢。

2.7 建議

建議在日常巡查中及臺風、暴雨等氣象災害后加強對主航道橋箱梁腹板斜裂縫的觀測，并對主航道橋箱梁腹板斜裂縫盡快進行封閉處理。

3 結語

該項目通過振弦式傳感器的裂縫自動化監(jiān)測技術對連續(xù)剛構橋主跨腹板豎向裂縫寬度變化進行監(jiān)測，同時輔助石膏標記法觀測裂縫的發(fā)展和走向，對典型裂縫變化情況進行分析，及時掌握了裂縫的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。通過監(jiān)測分析可知，現(xiàn)階段未見新增裂縫，裂縫的長度和寬度未見明顯增長，裂縫深度無增長趨勢；裂縫寬度的變化主要由溫度變化引起，與溫度變化呈較好的相關性。可見，自動化監(jiān)測手段對橋梁裂縫進行監(jiān)測是有效的；同時，自動化監(jiān)測技術也可以應用在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中。

參考文獻

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