先張法空心板底板縱向裂縫產(chǎn)生原因與影響研究

鄭凱

(佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站有限公司， 廣東 佛山 528041)

對(duì)多條高速公路橋梁的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)營(yíng)階段橋梁大多存在不同類型和對(duì)結(jié)構(gòu)有不同影響的病害?？招陌辶菏且环N較常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)形式，底板縱向開(kāi)裂是空心板梁常見(jiàn)病害。該文通過(guò)支座壓縮試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)等，分析空心板梁底板縱向裂縫產(chǎn)生原因及對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響。

1 工程概況

某橋梁上部結(jié)構(gòu)主要為15 m跨先張法預(yù)應(yīng)力空心板梁，采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的方法施工，形成四孔一聯(lián)至九孔一聯(lián)的連續(xù)板結(jié)構(gòu)。根據(jù)檢查結(jié)果，空心板梁底板存在較多縱向裂縫(單幅橫向16片空心板梁基本上存在縱向裂縫)，裂縫主要分布在底板中間，沿橋梁跨徑方向已基本貫通，裂縫寬度為0.10～1.25 mm(見(jiàn)圖1、圖2)，遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范要求。管養(yǎng)單位對(duì)部分橋跨空心板梁底板縱向裂縫采取封閉裂縫、粘貼鋼板或碳纖維的方法進(jìn)行了加固處理?？紤]到該橋存在縱向裂縫的空心板梁數(shù)量較多，若對(duì)存在縱向裂縫的空心板梁全部采用粘貼鋼板或碳纖維的方法進(jìn)行加固，成本偏高。為制訂科學(xué)合理的空心板梁底板縱向裂縫維修加固方案，對(duì)存在縱向裂縫的空心板梁進(jìn)行受力性能試驗(yàn)研究，評(píng)估底板縱向開(kāi)裂后空心板梁的工作狀態(tài)。

圖2 空心板梁底板縱向裂縫局部狀況

2 研究思路

空心板梁在底板未開(kāi)裂時(shí)為閉口截面，抗扭剛度較大。理論上當(dāng)?shù)装彘_(kāi)裂較嚴(yán)重，尤其是底板縱向裂縫沿橋梁跨徑方向貫通且裂縫貫通底板厚度時(shí)，板梁橫斷面將接近開(kāi)口截面，截面抗扭剛度大大降低。由于結(jié)構(gòu)抗扭剛度出現(xiàn)變化，可能導(dǎo)致橋跨橫向各片空心板梁的橫向分布偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，造成空心板梁縱向受力發(fā)生變化，縱向受力的變化可能導(dǎo)致某些空心板梁(如邊梁)受力性能無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求和正常使用要求。此外，縱向裂縫會(huì)引起預(yù)應(yīng)力鋼絞線或普通鋼筋銹蝕，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。為此，通過(guò)以下試驗(yàn)，分析梁底縱向裂縫對(duì)空心板梁工作狀態(tài)的影響，為梁體縱向裂縫處理提出科學(xué)合理的建議：

(1) 空心板梁荷載橫向分布系數(shù)測(cè)試。通過(guò)橫向移動(dòng)車輛測(cè)試空心板梁荷載橫向分布系數(shù)，并與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，分析縱向裂縫對(duì)荷載橫向分布系數(shù)的影響。

(2) 支座壓縮測(cè)試。通過(guò)在梁端布置荷載，測(cè)量支座在荷載作用下的壓縮情況，分析空心板梁底板縱向裂縫的產(chǎn)生與支座工作狀態(tài)的關(guān)系。

(3) 底板縱向裂縫剪切變形測(cè)試。通過(guò)測(cè)試縱向裂縫兩側(cè)底板的變形差，分析空心板梁開(kāi)裂后底板是否存在相對(duì)剪切變形。

(4) 空心板梁荷載試驗(yàn)。通過(guò)荷載試驗(yàn)對(duì)空心板梁的承載能力進(jìn)行評(píng)定，分析縱向裂縫對(duì)空心板梁承載能力的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 荷載橫向分布系數(shù)測(cè)試

3.1.1 理論計(jì)算

試驗(yàn)前，對(duì)空心板梁采用設(shè)計(jì)截面慣性矩和考慮底板開(kāi)裂后開(kāi)裂截面慣性矩對(duì)各空心板梁荷載橫向分布影響線進(jìn)行理論計(jì)算。計(jì)算采用鉸接板梁法，先按式(1)計(jì)算得到剛度參數(shù)γ，再根據(jù)γ查《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)：梁橋》(第2版)得到各梁的荷載橫向分布影響線。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 空心板梁未開(kāi)裂時(shí)橫向分布影響線理論計(jì)算結(jié)果

圖4 空心板梁開(kāi)裂后橫向分布影響線理論計(jì)算結(jié)果

(1)

式中：I為抗彎慣性矩；IT為抗扭慣性矩；b為空心板梁寬度；l為空心板梁跨徑。

3.1.2 荷載橫向分布系數(shù)測(cè)試

選取試驗(yàn)跨跨中截面進(jìn)行荷載橫向分布系數(shù)測(cè)試，分析各梁間的橫向連接情況。測(cè)試加載見(jiàn)圖5，根據(jù)各梁實(shí)測(cè)撓度推算的試驗(yàn)截面荷載橫向分布影響線豎標(biāo)值見(jiàn)表1，各梁實(shí)測(cè)荷載橫向分布影響線與理論橫向分布影響線的對(duì)比見(jiàn)圖6、圖7。

表1 試驗(yàn)跨跨中截面實(shí)測(cè)荷載橫向分布影響線

由圖6、圖7可知：各梁實(shí)測(cè)荷載橫向分布影響線較圓滑，說(shuō)明各梁橫向連接正常；對(duì)比實(shí)測(cè)荷載橫向分布影響線和理論計(jì)算橫向分布影響線(考慮10 cm后澆整體化層)，梁體的實(shí)際荷載橫向分布情況更接近按未開(kāi)裂截面的理論計(jì)算結(jié)果，據(jù)此推斷空心板梁底板縱向裂縫對(duì)梁體荷載橫向分布的影響較小。

D1、Di、Dn表示各加載輪位至防撞墻內(nèi)側(cè)邊緣的距離

續(xù)表1

圖6 各梁實(shí)測(cè)與理論計(jì)算荷載橫向分布影響線對(duì)比(1#～8#梁)

圖7 各梁實(shí)測(cè)與理論計(jì)算荷載橫向分布影響線對(duì)比(9#～16#梁)

3.2 支座壓縮測(cè)試

通過(guò)測(cè)試支座附近梁體豎向位移分析試驗(yàn)荷載作用下支座壓縮情況，結(jié)合裂縫分布、支座脫空情況，判斷空心板梁縱向裂縫的產(chǎn)生與支座工作狀態(tài)之間的關(guān)系。測(cè)點(diǎn)布置及加載見(jiàn)圖8，支座附近梁體豎向位移測(cè)試值見(jiàn)表2，各加載輪位下梁體位移分布見(jiàn)圖9，各空心板梁梁體位移隨加載輪位的變化見(jiàn)圖10。

表2 支座壓縮測(cè)試值 mm

圖8 支座壓縮試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及加載示意圖

試驗(yàn)前檢查發(fā)現(xiàn)該橋跨存在多個(gè)支座脫空現(xiàn)象。但從圖9、圖10可看出：各空心板梁支座壓縮量及與加載位置的關(guān)系曲線較光滑，未出現(xiàn)支座壓縮量突變現(xiàn)象，說(shuō)明各梁板間鉸縫工作狀態(tài)良好。由于鉸縫能較好地傳遞梁間剪力，通過(guò)測(cè)試梁體位移較難判斷支座脫空問(wèn)題。

圖9 各加載輪位下梁體位移

圖10 各梁支座壓縮與加載位置的關(guān)系

3.3 縱向裂縫剪切變形測(cè)試

在裂縫兩側(cè)布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)試各試驗(yàn)工況下兩側(cè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變的差異，若兩側(cè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值差異不大，則裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響不大；跨縱向裂縫布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)試各試驗(yàn)工況下裂縫擴(kuò)展情況，分析營(yíng)運(yùn)荷載對(duì)裂縫發(fā)生、發(fā)展的影響；測(cè)試裂縫兩側(cè)底板是否出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，若出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，說(shuō)明梁體扭轉(zhuǎn)剛度削弱很大，反之則不明顯。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在8#梁、15#梁底，錯(cuò)動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置在15#梁底(見(jiàn)圖11)。空心板梁底板縱向裂縫剪切變形測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

圖11 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)及錯(cuò)動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

由表3可知：對(duì)于縱向裂縫兩側(cè)平行于縱向裂縫的測(cè)點(diǎn)，在縱橫向各種加載輪位下，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外，應(yīng)變值基本一致；對(duì)于跨縱向裂縫的測(cè)點(diǎn)，在縱橫向各種輪位作用下應(yīng)變值均小于20 με。試驗(yàn)橋跨空心板梁沿裂縫方向布置的剪切位移測(cè)點(diǎn)，在試驗(yàn)過(guò)程中所有加載輪位下其位移均為零，表明縱向裂縫兩側(cè)的底板不存在縱向剪切變形。

表3 縱向裂縫剪切變形試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)變 με

綜上，縱向裂縫對(duì)空心板梁抗扭性能的影響較?。辉谠囼?yàn)荷載作用下，縱向裂縫擴(kuò)展不顯著；縱向裂縫不是由運(yùn)營(yíng)荷載所致，而是由早期綜合原因造成，但運(yùn)營(yíng)荷載對(duì)裂縫發(fā)展有一定影響。

3.4 空心板梁靜載試驗(yàn)

為分析底板縱向裂縫對(duì)空心板梁承載能力的影響，依據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》和《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》進(jìn)行空心板梁靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)在南行L0#～L4#墩之間的橋跨(四孔一聯(lián)，15.58 m+3×15 m)進(jìn)行，測(cè)試截面為邊跨0.4L截面和中跨跨中截面。根據(jù)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

(1) 殘余評(píng)定。卸載工況下應(yīng)變殘余及撓度殘余均滿足規(guī)范中相對(duì)殘余小于20%的規(guī)定，截面處于彈性工作狀態(tài)。

(2) 校驗(yàn)系數(shù)評(píng)定。最大級(jí)加載工況下，A截面1#～3#梁測(cè)試截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別為0.792、0.736、0.764，B截面1#～3#梁測(cè)試截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分別為0.670、0.720、0.710，滿足規(guī)范中預(yù)應(yīng)力砼橋應(yīng)變(應(yīng)力)校驗(yàn)系數(shù)為0.6～0.9的要求；A截面1#～3#梁撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.734、0.765、0.794，B截面1#～3#梁撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.712、0.724、0.784，滿足規(guī)范中預(yù)應(yīng)力砼橋撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.7～1.0的要求。

(3) 抗裂性評(píng)定。截面抗裂測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變隨荷載效率呈較好的線性變化，表明在試驗(yàn)荷載作用下截面底緣抗裂測(cè)點(diǎn)附近未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，截面抗裂性能基本滿足設(shè)計(jì)要求。

(4) 撓度評(píng)定。在設(shè)計(jì)荷載(不計(jì)沖擊)作用下，A截面1#～3#梁撓度分別為3.57、3.70、3.90 mm，B截面1#～3#梁撓度分別為2.62、2.81、3.07 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求(15 000/600=25 mm)，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

綜上，梁底縱向裂縫對(duì)梁體承載能力及正常使用基本沒(méi)有影響。

4 結(jié)論及建議

綜合荷載橫向分布系數(shù)測(cè)試、支座壓縮試驗(yàn)、縱向裂縫剪切測(cè)試和靜載試驗(yàn)結(jié)果，梁底縱向裂縫對(duì)試驗(yàn)跨空心板梁承載能力及正常使用基本沒(méi)有影響，梁體承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載要求。縱向裂縫的形成主因不是運(yùn)營(yíng)荷載，但運(yùn)營(yíng)荷載對(duì)裂縫發(fā)展有一定影響。

可從改善梁體耐久性著手進(jìn)行裂縫處理，建議對(duì)非通長(zhǎng)縱向裂縫進(jìn)行封閉處理，對(duì)通長(zhǎng)裂縫通過(guò)粘貼纖維加以封閉。另外，梁體維護(hù)過(guò)程中對(duì)脫空支座進(jìn)行處理，恢復(fù)支座的正常受力功能，防止衍生病害的發(fā)生。