某連續(xù)箱梁橋底板裂縫檢測評(píng)估及原因分析

張朦朦，何祖發(fā)，李麗娟

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430034；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034）

1 概述

某城市橋梁LD20聯(lián)上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主梁為等高度預(yù)應(yīng)力混凝土斜腹板單箱雙室截面，跨徑布置為25 m+31.6 m+2×29.8 m，下部結(jié)構(gòu)為柱式花瓶墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。箱梁梁體均采用C50混凝土，混凝土箱梁內(nèi)設(shè)縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力。主橋立面布置見圖1，主梁橫截面見圖2。

圖1 主橋立面布置圖（單位：cm）

圖2 主梁橫截面圖（單位：mm）

本橋主梁澆筑完成25 d后開始預(yù)應(yīng)力張拉，4 d后張拉完成。箱梁拆模后發(fā)現(xiàn)主梁底板出現(xiàn)大量裂縫。為查清裂縫出現(xiàn)的原因，了解橋梁現(xiàn)階段的技術(shù)狀況以及病害的嚴(yán)重程度，需要對(duì)該橋進(jìn)行檢測評(píng)估，為后期處置提供科學(xué)依據(jù)。

2 橋梁檢測結(jié)果

針對(duì)該橋進(jìn)行了外觀檢測、無損檢測以及現(xiàn)存應(yīng)力專項(xiàng)檢測[1-2]。

2.1 外觀檢測結(jié)果

本橋外觀檢測重點(diǎn)為主梁裂縫的檢查[3-4]。經(jīng)過檢查，主要病害為箱梁底板存在較多裂縫，共計(jì)188條，典型裂縫分布見圖3。裂縫寬度區(qū)間為0.05～0.32 mm，對(duì)寬度大于0.2 mm的裂縫進(jìn)行深度檢測，結(jié)果顯示裂縫深度在25～220 mm之間，其中67條裂縫為貫穿裂縫，并伴有滲水痕跡及白色鈣化物。

圖3 ZD68～ZD69跨箱梁底板裂縫分布圖（單位：mm）

2.2 無損檢測結(jié)果

2.2.1 混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果

混凝土強(qiáng)度可作為判斷結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況的依據(jù)，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力[5]。對(duì)各跨箱梁底板進(jìn)行強(qiáng)度檢測，結(jié)果顯示混凝土強(qiáng)度推定值滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 鋼筋保護(hù)層厚度檢測結(jié)果

鋼筋保護(hù)層厚度是評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)[6]，檢測結(jié)果顯示箱梁底板主筋保護(hù)層厚度較薄，不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 現(xiàn)存應(yīng)力專項(xiàng)檢測結(jié)果

為了解橋梁內(nèi)部的現(xiàn)存應(yīng)力狀況，選取ZD67～ZD69跨2跨的跨中底板部位，采用應(yīng)力釋放法測量底板現(xiàn)存應(yīng)力[7]。由測試結(jié)果可知，ZD67～ZD68跨和ZD68～ZD69跨跨中底板下表面現(xiàn)存壓應(yīng)力分別為-2.67 MPa和-2.92 MPa，與理論計(jì)算值偏差分別為6.6%和9.0%。

3 結(jié)構(gòu)檢算

3.1 有限元模型

根據(jù)原橋設(shè)計(jì)圖紙和橋梁實(shí)際施工情況，采用結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil 2015進(jìn)行施工過程的模擬計(jì)算[8]。

箱梁采用C50混凝土，鋼絞線抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，錨下控制應(yīng)力為σcon=0.75 fpk=1 395 MPa。管道偏差系數(shù)k取0.001 5，管道摩擦系數(shù)μ取0.15。鋼筋采用熱軋HPB300、熱軋HRB400兩種。

一期恒載箱梁結(jié)構(gòu)按實(shí)際截面計(jì)取，容重取26 kN/m3，橫隔板按照永久集中荷載記入[5]。荷載等級(jí)按城-A考慮，并考慮偏載效應(yīng)。

有限元模型見圖4，共60個(gè)梁單元。其中68#墩為縱向固定支座，其余墩號(hào)的支座縱向可動(dòng)。

圖4 有限元模型

3.2 檢算內(nèi)容

（1）原設(shè)計(jì)狀態(tài)檢算復(fù)核

根據(jù)原橋設(shè)計(jì)圖紙和荷載情況，對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行檢算。建立后續(xù)病害分析的基礎(chǔ)狀態(tài)。

（2）結(jié)構(gòu)損傷分析

根據(jù)橋梁實(shí)際產(chǎn)生的裂縫情況及現(xiàn)場檢測的結(jié)果，以第（1）步原設(shè)計(jì)完好狀態(tài)為基礎(chǔ)，分別計(jì)算滿堂支架沉降、預(yù)應(yīng)力損失對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，對(duì)主梁進(jìn)行損傷模擬分析，確定較為符合檢測結(jié)果的結(jié)構(gòu)損傷模型。

3.3 原設(shè)計(jì)狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，本橋主梁按A類混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。按原設(shè)計(jì)完好狀態(tài)對(duì)主梁進(jìn)行驗(yàn)算。

檢算結(jié)果顯示：持久狀況承載能力極限狀態(tài)檢算、持久狀況正常使用極限狀態(tài)抗裂性檢算、持久狀況構(gòu)件應(yīng)力檢算以及短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力檢算結(jié)果均滿足《公預(yù)規(guī)》相關(guān)要求[9]。

3.4 結(jié)構(gòu)損傷分析

3.4.1 損傷因素分析

以原設(shè)計(jì)狀態(tài)為基礎(chǔ)，考慮滿堂支架沉降、預(yù)應(yīng)力損失對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，對(duì)主梁進(jìn)行損傷模擬分析，確定較為符合檢測結(jié)果的結(jié)構(gòu)損傷模型。

（1）滿堂支架沉降的影響

橋梁施工過程中，支架沒有進(jìn)行預(yù)壓或預(yù)壓荷載不夠、支架剛度不夠、基礎(chǔ)不穩(wěn)定等因素，都可能會(huì)引起支架變形，造成混凝土梁的不均勻沉降，使連續(xù)梁產(chǎn)生附加應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)受力造成不利影響。通過調(diào)整滿堂支架支撐剛度進(jìn)行支架下沉模擬分析，計(jì)算時(shí)箱梁混凝土齡期取10 d，滿堂支架沉降發(fā)生在預(yù)應(yīng)力張拉之前。

主梁跨中撓度和底板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，在主梁混凝土澆筑完成養(yǎng)護(hù)期間，若主梁跨中滿堂支架沉降約5 mm左右時(shí)，箱梁底板縱向最大拉應(yīng)力約為1.5 MPa左右，當(dāng)支架繼續(xù)變形，箱梁底板將達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.83 MPa，混凝土將開裂。

（2）縱向預(yù)應(yīng)力損失的影響

根據(jù)現(xiàn)有檢測結(jié)果，主梁正彎矩區(qū)梁底出現(xiàn)大量的橫向裂縫，腹板束和底板束預(yù)應(yīng)力對(duì)主梁跨中正彎矩區(qū)域抗裂影響較為敏感。因此，本次的預(yù)應(yīng)力損失模擬分析主要針對(duì)底板束和腹板束。

以不同的預(yù)應(yīng)力損失值作為有限元分析荷載工況，對(duì)比在底板束和腹板束損失10%、20%、30%、40%、50%時(shí)，箱梁底板縱向應(yīng)力狀態(tài)變化。

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)全聯(lián)底板束和腹板束損失約30%時(shí)，箱梁底板開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，見圖5，隨著預(yù)應(yīng)力繼續(xù)損失則拉應(yīng)力不斷增大，混凝土將開裂。

圖5 預(yù)應(yīng)力損失30%時(shí)箱梁底板縱向應(yīng)力圖（單位：MP a）

根據(jù)箱梁底板現(xiàn)存應(yīng)力檢測結(jié)果，底板開裂后，ZD67#～ZD68#跨和ZD68#～ZD69#跨跨中底板下表面仍有壓應(yīng)力儲(chǔ)備，現(xiàn)存壓應(yīng)力分別為2.67 MPa和2.92 MPa，故單純由預(yù)應(yīng)力損失引起結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力儲(chǔ)備不足導(dǎo)致的梁體開裂的可能性較小。

3.4.2 損傷模型確定

根據(jù)前文主梁開裂損傷因素分析，結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果，以主梁跨中底板實(shí)測的現(xiàn)存應(yīng)力為目標(biāo)，通過不斷調(diào)整底板束與腹板束預(yù)應(yīng)力損失量，確定損傷模型，結(jié)果見表1。

由表1可知，工況四作用下，中跨底板縱向應(yīng)力比較接近實(shí)際現(xiàn)存應(yīng)力，因此，本次損傷模型承載能力檢算將以表1中工況四的預(yù)應(yīng)力損失組合為準(zhǔn)。

表1 損傷模型確定表

3.4.3 考慮損傷后主梁承載能力檢算結(jié)果

（1）持久狀況承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果

a.正截面抗彎強(qiáng)度檢算結(jié)果

主梁各截面抗彎承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果及內(nèi)力包絡(luò)圖見圖6。經(jīng)驗(yàn)算，考慮損傷后截面抗彎強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖6 考慮損傷后承載能力極限狀態(tài)彎矩內(nèi)力效應(yīng)包絡(luò)圖及抗力包絡(luò)圖（單位：kN·m）

b.斜截面抗剪強(qiáng)度檢算結(jié)果

考慮損傷后斜截面抗剪承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算包絡(luò)圖見圖7。經(jīng)驗(yàn)算，主梁各截面的斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算均滿足要求。

圖7 考慮損傷后承載能力極限狀態(tài)主梁剪力效應(yīng)包絡(luò)圖及斜截面抗剪包絡(luò)圖（單位：kN·m）

（2）持久狀況正常使用極限狀態(tài)抗裂性檢算結(jié)果

a.正截面抗裂性檢算結(jié)果

在短期效應(yīng)荷載組合和長期效應(yīng)荷載組合作用下，上下緣的抗裂驗(yàn)算的應(yīng)力包絡(luò)圖見圖8、圖9。由圖8、圖9可知，短期荷載組合作用下，除梁端上緣局部失真區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力外，截面上緣最小應(yīng)力為0.5 MPa≤0.7 ftk=1.855 MPa，下緣最大拉應(yīng)力為0 MPa≤0.7 ftk=1.855 MPa，均滿足規(guī)范要求。長期荷載組合作用下，除梁端上緣局部失真區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力外，墩頂負(fù)彎矩區(qū)域上緣最小壓應(yīng)力為0，下緣最小應(yīng)力為0，滿足規(guī)范要求[9]。

圖8 考慮損傷后短期效應(yīng)荷載組合主梁正截面的最大應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MP a）

圖9 考慮損傷后長期效應(yīng)荷載組合主梁正截面的最大應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MP a）

b.斜截面抗裂性檢算結(jié)果

短期效應(yīng)組合下主梁的主拉應(yīng)力包絡(luò)圖見圖10。除去梁端橫隔板范圍失真區(qū)域外，短期效應(yīng)荷載組合下，主梁墩頂負(fù)彎矩區(qū)域?yàn)樽畲笾骼瓚?yīng)力處，為σtp=1.31 MPa＜0.5 ftk=1.325 MPa，滿足規(guī)范要求[9]。

圖10 考慮損傷后短期效應(yīng)荷載組合主梁斜截面主拉應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MP a）

（3）持久狀況構(gòu)件應(yīng)力檢算結(jié)果

a.正截面混凝土最大壓應(yīng)力檢算結(jié)果

根據(jù)檢算結(jié)果，主梁的使用階段正截面混凝土的最大壓應(yīng)力為12.8 MPa，符合《公預(yù)規(guī)》要求σkc+σpt≤0.5 fck=16.2 MPa的規(guī)定[9]。

b.混凝土主應(yīng)力檢算結(jié)果

根據(jù)檢算結(jié)果，使用階段主梁的混凝土最大主壓應(yīng)力為12.8 MPa，符合《公預(yù)規(guī)》要求σcp≤0.6 fck=19.44 MPa的規(guī)定[9]。

4 裂縫成因分析

根據(jù)裂縫形態(tài)分析，本橋橫向裂縫雖然較多，但主要集中在兩個(gè)箱室空腔下方，并未形成底板橫向通長裂縫或延伸到腹板上，與典型受力裂縫有區(qū)別；結(jié)合現(xiàn)場箱梁跨中底板現(xiàn)存應(yīng)力檢測結(jié)果和橋梁損傷模型計(jì)算結(jié)果分析，此裂縫不可能為單純由預(yù)應(yīng)力損失引起壓應(yīng)力儲(chǔ)備不足而導(dǎo)致的梁體開裂。綜合分析，認(rèn)為橋梁裂縫成因主要有以下幾種：

（1）梁體混凝土澆筑后沒有及時(shí)充分養(yǎng)護(hù)。本橋施工時(shí)天氣炎熱，澆筑的混凝土沒有相對(duì)潮濕的環(huán)境，干縮變形較大。支架上現(xiàn)澆混凝土箱梁，可以看作與模板緊密接觸且支承在底模板上的混凝土長梁，現(xiàn)澆混凝土后，混凝土長梁產(chǎn)生由于溫度或其他原因的收縮變形，底模板會(huì)阻止混凝土收縮而引起箱梁底板縱向拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生垂直于拉應(yīng)力方向的橫向裂縫。

（2）滿堂支架法施工過程中，支架沒有進(jìn)行預(yù)壓或預(yù)壓荷載不夠、支架剛度不夠、基礎(chǔ)不穩(wěn)定等因素，都可能會(huì)引起支架變形，造成混凝土梁的不均勻沉降，使混凝土在澆筑過程中產(chǎn)生裂縫。

（3）對(duì)于底板產(chǎn)生縱向裂縫的原因，在縱向預(yù)應(yīng)力作用下，由于泊松比效應(yīng)，底板將出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力，如果拉應(yīng)力超過混凝土容許抗拉強(qiáng)度，會(huì)引起混凝土縱向開裂；此外，施工過程中如預(yù)應(yīng)力管道偏離設(shè)計(jì)位置，可能出現(xiàn)較大的局部拉應(yīng)力，也會(huì)引起底板縱向開裂。

綜合分析認(rèn)為：箱梁底板裂縫主要是在施工過程中由于養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)、支架變形等引起的裂縫，裂縫寬度一般較大且會(huì)隨著大氣溫度變化而變化，這種裂縫對(duì)箱梁的結(jié)構(gòu)使用性能影響不大，但會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

5 病害處治措施及效果

經(jīng)過分析，本橋箱梁底板產(chǎn)生的裂縫為非結(jié)構(gòu)性受力裂縫，因此僅需對(duì)主梁裂縫進(jìn)行處理，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。對(duì)寬度小于0.15 mm的裂縫，采用環(huán)氧膠泥進(jìn)行封閉；對(duì)寬度不小于0.15 mm的裂縫，采用“壁可法”（灌壓環(huán)氧漿）進(jìn)行處理，并加強(qiáng)后期監(jiān)測。

對(duì)裂縫進(jìn)行維修后，對(duì)本橋進(jìn)行了動(dòng)靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，本橋受力狀態(tài)良好，校驗(yàn)系數(shù)在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)因加載而引起的新裂縫以及舊裂縫擴(kuò)展。驗(yàn)證了本橋底板裂縫非受力或預(yù)應(yīng)力損失導(dǎo)致的裂縫的結(jié)論。

6 結(jié)語

本文針對(duì)某四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁底板出現(xiàn)大量裂縫進(jìn)行檢測以及裂縫原因分析，檢測結(jié)果表明本橋混凝土強(qiáng)度滿足要求；該橋主要病害為箱室空腔下方底板出現(xiàn)橫向及其他走向的裂縫，經(jīng)過分析，裂縫的產(chǎn)生主要是在施工過程中由于施工措施不當(dāng)引起的混凝土收縮裂縫，并非是由預(yù)應(yīng)力損失引起壓應(yīng)力儲(chǔ)備不足而導(dǎo)致的梁體開裂，對(duì)箱梁的結(jié)構(gòu)使用性能影響不大，但會(huì)影響箱梁的耐久性。