預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋腹板斜向裂縫成因分析

文/蘇交科集團(tuán)股份有限公司 秦艷輝

本文以江蘇省道322線上某預(yù)應(yīng)力混凝土T梁為例，分析導(dǎo)致腹板斜向裂縫的主要因素，并指出此類結(jié)構(gòu)橋梁在養(yǎng)護(hù)及維修改造中需要注意的內(nèi)容。

該橋梁全長(zhǎng)150.8m，跨徑布置為：5×30m，橋梁全寬11.0m。上部結(jié)構(gòu)采用5×30m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，梁高1.84m，采用40號(hào)混凝土。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩臺(tái)，橋面系采用瀝青混凝土鋪裝層，鋼筋混凝土組合式防撞墻。設(shè)計(jì)荷載：汽-20、掛-100，人群荷載250kg/m2。在2016年定期檢查中，發(fā)現(xiàn)全橋T梁腹板普遍存在斜向裂縫（正八字形），全橋25片T梁共有腹板斜裂縫475條，長(zhǎng)度共計(jì)585.4m。斜裂縫基本位于L/6至5L/6之間，腹板左、右兩側(cè)對(duì)稱分布，裂縫頂部最高至肋腋板，底部至馬蹄倒角處（少數(shù)幾條至馬蹄側(cè)面），單條裂縫長(zhǎng)0.6m至1.5m，縫寬基本在0.15mm左右，最大縫寬0.26mm，裂縫傾角約45°至75°，自L/6處往L/2方向斜裂縫傾斜角逐漸增大。

經(jīng)過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工圖及橋梁現(xiàn)狀的對(duì)比分析，筆者認(rèn)為引起T梁腹板斜向裂縫的原因包括：結(jié)構(gòu)尺寸偏小、配筋偏弱，超載車輛通行，橋梁改造施工的不良影響等幾方面：

計(jì)算分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用平面桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件橋梁博士進(jìn)行，通過荷載橫向分配系數(shù)將空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單梁桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，荷載橫向分配系數(shù)采用剛接板梁法計(jì)算。

橋梁施工改造影響

橋梁原設(shè)計(jì)橋面布置為0.25m護(hù)欄+1.0m人行道+9.0m行車道+1.0m人行道+0.25m護(hù)欄，運(yùn)營(yíng)期鋼筋混凝土護(hù)欄改造為組合式防撞墻時(shí)拆除了人行道，現(xiàn)狀橋面布置情況為：0.5m防撞墻+10.0m行車道+0.5m防撞墻。護(hù)欄改造自重的增加對(duì)T梁影響較小，但行車道寬度的改變導(dǎo)致T梁橫向分配系數(shù)增大。

在原設(shè)計(jì)荷載（汽-20、掛-100）作用下，現(xiàn)狀橋面布置T梁承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求；正常使用極限狀態(tài)計(jì)算汽-20荷載下中梁主拉應(yīng)力增大0MPa至0.03MPa，邊梁主拉應(yīng)力增大0MPa至1.06MPa；掛-100荷載下中梁主拉應(yīng)力增大0MPa至0.61MPa，邊梁主拉應(yīng)力增大0MPa至0.36MPa。橫向分配系數(shù)增加對(duì)邊梁3L/8至L/2范圍內(nèi)主拉應(yīng)力增大影響明顯。

汽車活載超載影響

該橋三軸載重車及四軸載重車通行情況普遍。以汽-超20級(jí)汽車活載與原設(shè)計(jì)汽車活載進(jìn)行計(jì)算比較，分析汽車活載超載對(duì)T梁斜裂縫出現(xiàn)的影響。承載能力極限狀態(tài)不同汽車活載作用下T梁抗剪承載力與設(shè)計(jì)剪力的比值計(jì)算結(jié)果見表1，不同汽車活載等級(jí)下T梁主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表2。

由表1可知，汽-超20級(jí)汽車活載下邊板抗剪承載能力已接近限值。由表2可知，汽-超20級(jí)活載下L/6至L/2段內(nèi)T梁主拉應(yīng)力增加明顯，邊梁L/3至L/2段內(nèi)主拉應(yīng)力已不滿足規(guī)范要求（主拉應(yīng)力≤0.8Rbl=2.08MPa）。據(jù)調(diào)查，該橋通行的載重車多為運(yùn)輸砂石料車輛，軸重遠(yuǎn)大于14t（汽-超20級(jí)車隊(duì)重車軸重），經(jīng)上述分析可知，超載車輛通行是T梁腹板斜裂縫出現(xiàn)的主要原因之一。

截面尺寸影響

該橋L/6至5L/6之間標(biāo)準(zhǔn)段T梁梁高1.84m，腹板厚0.16m，距梁端1.75m范圍內(nèi)腹板厚0.36m，距梁端1.75m至L/6段腹板厚0.16m不變，馬蹄高度由0.19m漸變至0.36m。對(duì)比30mT梁部頒標(biāo)準(zhǔn)圖，相同級(jí)別汽車活載下，標(biāo)準(zhǔn)圖T梁標(biāo)準(zhǔn)段梁高2.0m，腹板厚0.2m，馬蹄底寬0.5m、高0.3m，該橋截面尺寸偏小。以汽-超20級(jí)汽車活載下不同截面尺寸的T梁進(jìn)行計(jì)算比較，分析截面尺寸對(duì)T梁斜裂縫出現(xiàn)的影響。進(jìn)行對(duì)比分析的T梁截面尺寸是：梁高2m，腹板厚分別為0.18m和0.20m，馬蹄尺寸與原設(shè)計(jì)一致。

通過對(duì)比可知，汽-超20級(jí)活載下L/6至L/2段內(nèi)邊梁和中梁主拉應(yīng)力隨截面尺寸增加減小明顯；在超載汽車活載下T梁截面梁高增至2m，腹板厚增至0.20m仍不滿足要求（預(yù)應(yīng)力筋配置與原設(shè)計(jì)保持不變）。T梁標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)尺寸偏弱，雖然原設(shè)計(jì)荷載下抗剪計(jì)算滿足規(guī)范要求，但運(yùn)營(yíng)中抗裂余地不大，一旦出現(xiàn)汽車超載就會(huì)出現(xiàn)斜向剪切裂縫。這與檢查發(fā)現(xiàn)斜裂縫集中出現(xiàn)在L/6至5L/6之間的結(jié)果吻合，因?yàn)榱憾酥罫/6之間腹板變厚，馬蹄高度增高，抗剪承載能力較標(biāo)準(zhǔn)段大。

表1 T梁抗剪承載力與設(shè)計(jì)剪力比值表

表2 不同等級(jí)汽車活載下T梁主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 不同箍筋配置T梁抗剪承載力與設(shè)計(jì)剪力比值表

截面箍筋配筋影響

T梁原設(shè)計(jì)箍筋配置情況為梁端2m范圍配2肢Φ8箍筋，間距0.1m，其余梁段配2肢Φ8箍筋，間距0.2m，在保持箍筋配置間距不變的情況下，通過改變箍筋直徑計(jì)算分析箍筋配置對(duì)T梁抗剪承載力影響。汽-超20級(jí)活載下，T梁抗剪承載力與設(shè)計(jì)剪力的比值計(jì)算結(jié)果見表3。由結(jié)果可知原設(shè)計(jì)箍筋配置偏弱，改善箍筋配置后抗剪承載能力有明顯提升。

腹板斜裂縫成因分析結(jié)論及橋梁處置建議

根據(jù)以上理論計(jì)算分析，該橋由于建成年代早，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)低，T梁結(jié)構(gòu)尺寸偏小，箍筋配置偏弱，抗剪承載能力先天不足以及超載汽車活載通行，是腹板斜向剪切受力裂縫出現(xiàn)的主要原因。此外，運(yùn)營(yíng)期橋梁結(jié)構(gòu)改造導(dǎo)致梁板分配系數(shù)增大也是斜裂縫出現(xiàn)的重要原因。

由于預(yù)應(yīng)力筋配置情況無法改變，該橋T梁采用增大截面法加固改造（腹板增厚、梁高增大）無法滿足高于原設(shè)計(jì)荷載的使用要求，建議在維持原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的前提下采用封閉裂縫、腹板粘鋼加固等措施恢復(fù)橋梁使用荷載功能，維修加固完成后應(yīng)采取限載措施限制超載車輛通行。