預(yù)制T梁梁端裂縫成因檢測(cè)分析

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(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212)

1 工程概況

某特大橋設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，橋梁半寬：0.5 m(防撞護(hù)欄)+11.75 m(橋面凈寬)+0.5 m(防撞護(hù)欄)=12.75 m。上部結(jié)構(gòu)采用2×(5×30) m+2×(4×30) m+(60+110+60) m+4×(4×30) m共9聯(lián)，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土組合T梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，其橫截面布置如下圖所示。

圖1 引橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:mm)

在預(yù)制后，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)常規(guī)外觀質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)大批量T梁均出現(xiàn)有局部裂紋，且裂紋出現(xiàn)部位基本出現(xiàn)在T梁端頭位置。針對(duì)該種病害，已有許多文獻(xiàn)進(jìn)行了成因的分析[1-3]以及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響[4]。但在本項(xiàng)目中，因T梁并未完成架設(shè)，且出現(xiàn)裂縫均具有極強(qiáng)的規(guī)律性，故另行采用荷載試驗(yàn)對(duì)梁體基本性能作出判定，并總結(jié)裂縫成因，進(jìn)行針對(duì)性修復(fù)及工藝調(diào)整。

2 T梁外觀檢測(cè)結(jié)果

橋梁外觀檢測(cè)采用目視檢查為主，檢查混凝土有無(wú)裂縫、麻面、蜂窩、空洞、露筋等，并利用混凝土裂縫觀測(cè)儀對(duì)裂縫特性進(jìn)行深層次探測(cè)。

觀測(cè)結(jié)果顯示，該片梁共有裂縫6條，均出現(xiàn)在T梁端頭腹板及橫隔板處，且以斜向裂縫為主。見(jiàn)圖1，2所示。

表1 裂縫特性一覽表 長(zhǎng)度L(m)；寬度d(mm)

圖2 裂縫分布現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例圖

3 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

采用ZC3-A型回彈儀法進(jìn)行T梁混凝土強(qiáng)度檢測(cè)。回彈法是用彈簧驅(qū)動(dòng)重錘，通過(guò)彈擊桿彈擊混凝表面，并測(cè)出重錘被反彈回來(lái)的距離，以回彈值(反彈距離與初始長(zhǎng)度之比)作為與強(qiáng)度相關(guān)的指標(biāo)，來(lái)推算混凝土強(qiáng)度的一種方法。

根據(jù)回彈試驗(yàn)，得出T梁混凝土強(qiáng)度回彈換算平均值為57.9 MPa，強(qiáng)度推定值為55.4 MPa，大于梁體混凝土(C50)要求的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值50 MPa。

4 靜載試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)梁簡(jiǎn)介

試驗(yàn)梁采用與主橋中梁完全相同的材料參數(shù)、幾何參數(shù)。主要材料參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)梁跨徑布置、截面參數(shù)見(jiàn)圖3。試驗(yàn)梁混凝土配合比按照每立方材料用量(kg)表示為水泥：粉煤灰：礦粉：砂：碎石：外加劑：水=365∶73∶49∶701∶1096∶5.85∶146。

表2 試驗(yàn)梁主要材料參數(shù)表

4.2 測(cè)試方法

(1)應(yīng)力測(cè)試

在T梁底跨中縱向應(yīng)力采用電測(cè)法測(cè)試，在每片T梁梁底粘貼1～2個(gè)應(yīng)變片，采用應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

(2)撓度、變形和變位測(cè)試

主梁撓度和變形采用百分表加表座進(jìn)行測(cè)量，即在梁下緣安裝百分表及表座，用百分表直接測(cè)試。在T梁的1/4截面、跨中、3/4截面以及支座處設(shè)有百分表來(lái)測(cè)量T梁的撓度變化情況。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置及加載示意圖

(3)支座沉降測(cè)試

支座沉降同樣采用百分表進(jìn)行測(cè)量，兩支座各布置一沉降觀測(cè)點(diǎn)。

(4)裂縫觀測(cè)

加載時(shí)派專人觀測(cè)梁板裂縫開(kāi)展情況，檢查控制斷面附近一定區(qū)域的混凝土表面是否出現(xiàn)裂縫以及早期裂縫在荷載作用下的開(kāi)展情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，及時(shí)報(bào)告總指揮，立即停止加載。支座或梁端錨固區(qū)等其他異常情況目測(cè)檢查。

4.3 有限元分析及試驗(yàn)荷載確定

采用有限元軟件Midas civil進(jìn)行計(jì)算分析，建立單根T梁模型。模型按照梁體實(shí)際截面尺寸及材料特性進(jìn)行模擬，采用空間梁?jiǎn)卧?，其邊界條件按簡(jiǎn)支梁處理，釋放梁端轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。模型共包含34個(gè)節(jié)點(diǎn)，33個(gè)單元，如圖4所示。

圖4 單梁計(jì)算有限元模型

建立有限元模型的目的，一方面是確定試驗(yàn)荷載，另一方面是進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載以及試驗(yàn)荷載下T梁效應(yīng)(內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變、撓度)的計(jì)算。其中設(shè)計(jì)荷載包括二期恒載以及汽車荷載，二期恒載按照實(shí)際橋面系重量考慮，汽車荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定的“公路-Ⅰ級(jí)”車輛荷載取用。車輛荷載圖見(jiàn)圖5。

圖5 公路-I級(jí)車輛荷載圖(m,kN)

試驗(yàn)荷載的確定需要滿足試驗(yàn)荷載效率的要求，靜載試驗(yàn)荷載效率根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》JTG/TJ21-01-2015，按下式計(jì)算：

本項(xiàng)目中，Ss表示試驗(yàn)荷載作用下，控制截面內(nèi)力或變形的最大計(jì)算效應(yīng)值(本項(xiàng)目關(guān)注跨中最大彎矩)；S表示控制荷載產(chǎn)生的同一控制截面內(nèi)力或變形的最大計(jì)算效應(yīng)值(本項(xiàng)目控制荷載取設(shè)計(jì)荷載，即公路-Ⅰ級(jí)車輛荷載疊加二期恒載)；μ為沖擊系數(shù)，本項(xiàng)目取0；ηq為靜載試驗(yàn)的荷載效率。對(duì)交(竣)工驗(yàn)收荷載試驗(yàn)，荷載效率宜介于0.85～1.05之間。

本項(xiàng)目試驗(yàn)荷載確定方法，是利用有限元模型，分兩步進(jìn)行計(jì)算：第一步，控制荷載(即設(shè)計(jì)荷載)荷載施加于分析模型上，得出跨中截面彎矩最大值。第二步，通過(guò)模型試加載，反復(fù)調(diào)試，確定試驗(yàn)荷載，使得試驗(yàn)荷載加載于模型后產(chǎn)生的跨中截面彎矩最大值Ss，滿足靜載試驗(yàn)荷載效率ηq取值范圍的要求。最終確定試驗(yàn)荷載為跨中6m范圍內(nèi)加載60 kN/m重物，對(duì)應(yīng)的ηq=0.93，滿足規(guī)范要求。

4.4 試驗(yàn)荷載效率與分級(jí)

根據(jù)橋梁荷載等級(jí)，考慮二期恒載按10 cm的瀝青鋪裝層+8 cm的水泥混凝土鋪裝層+防撞護(hù)欄計(jì)算，并假定重量由6片T梁均布承擔(dān)，經(jīng)計(jì)算T梁在二期恒載及汽車荷載作用下的荷載效應(yīng)及相應(yīng)的荷載效率如下表所示：

表3 試驗(yàn)荷載效率

4.5 加載方法

利用現(xiàn)場(chǎng)既有重物，采用堆載鋼絞線施加均布荷載。單卷鋼絞線外直徑約120 cm，單卷鋼絞線重量約為3.6 t。一級(jí)加載為在T梁跨中6 m對(duì)稱平放5卷鋼絞線，均布荷載為30 kN/m；二級(jí)加載為在T梁跨中6 m對(duì)稱平放10卷鋼絞線，分兩層堆疊，均布荷載為 60kN/m。

4.6 靜載試驗(yàn)結(jié)果

(1)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示，該T梁在各加載分級(jí)工況下測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)η(測(cè)定值與計(jì)算值之比)在0.70～0.89之間，均小于1，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》JTG/TJ21-01-2015中的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁應(yīng)力檢驗(yàn)系數(shù)常值范圍的要求；卸載后應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)殘余應(yīng)變?yōu)?.12%，小于20%。表明：試驗(yàn)荷載作用下，T梁梁體處于彈性工作范圍之內(nèi)，梁體的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 T梁跨中滿載后沿梁高方向應(yīng)變分布

(2)撓度測(cè)試結(jié)果

在試驗(yàn)荷載作用下，T梁主要撓度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度在加、卸載過(guò)程中的變化趨勢(shì)與理論計(jì)算基本一致，且實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值，卸載后撓度基本恢復(fù)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的抵抗變形性能良好。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示。

(3)裂縫觀測(cè)結(jié)果

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，T梁原有裂縫未見(jiàn)擴(kuò)展且未發(fā)現(xiàn)明顯肉眼可見(jiàn)新增裂縫。

表4 T梁撓度測(cè)試結(jié)果一覽表

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

有限元分析模型作為靜載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的參照，根據(jù)二者得出的數(shù)值，按照《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》JTG/TJ21-01-2015計(jì)算校驗(yàn)系數(shù)η，均滿足規(guī)范限值要求，表明本橋的靜載試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求，判斷該梁場(chǎng)T梁梁端裂縫并非結(jié)構(gòu)裂縫。出現(xiàn)的主要成因主要為以下幾個(gè)方面：

(1)T梁預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，梁端腹板，翼緣板及端橫隔板三者出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形；

(2)拆模過(guò)早；

(3)混凝土配合比未完全達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求；

(4)混凝土收縮徐變。

5.2 建 議

(1)針對(duì)已出現(xiàn)裂縫的T梁，建議處治措施如下：

對(duì)于縫寬≤0.15 mm的裂縫采用涂抹裂縫修補(bǔ)膠封閉處理.即清理裂縫處構(gòu)件表面，用丙酮或二甲苯或酒精將沿縫兩側(cè)30～50 mm范圍內(nèi)擦洗干凈,待干燥后用排筆反復(fù)涂刷裂縫修補(bǔ)膠,每隔3-5 min涂刷一次，涂層厚度達(dá)1 mm左右為止。

對(duì)于縫寬大于0.15 mm的裂縫采用注射法注入裂縫修補(bǔ)膠維修補(bǔ)強(qiáng)處理。施工工藝流程如下裂縫修補(bǔ)施工步驟為：裂縫處理→埋設(shè)灌漿咀→封縫→封縫檢查→配制漿液→灌漿→封口處理→質(zhì)量檢查。

(2)針對(duì)后續(xù)未預(yù)制的T梁，建議采取以下處理措施：

在梁端1.5 m范圍內(nèi)將原采用的鋼底模換成塑膠底模，使T梁在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中梁端支承段的摩阻力減少；

嚴(yán)格控制拆模時(shí)間和張拉齡期，嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)T梁進(jìn)行養(yǎng)生。