預(yù)應(yīng)力混凝土T梁腹板豎向開裂原因分析與處治

摘要 預(yù)應(yīng)力混凝土T梁豎向開裂原因較為復(fù)雜，和T梁開裂時(shí)間、有效預(yù)應(yīng)力大小及對(duì)橋梁承載能力影響等有關(guān)。該文通過對(duì)石鎖高速公路K103+069右幅橋梁2-3#梁進(jìn)行外觀檢測(cè)、裂縫發(fā)展趨勢(shì)分析、結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)測(cè)量、鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)及成橋橋梁荷載試驗(yàn)分析，得出T梁有效預(yù)應(yīng)力不足為T梁腹板豎向開裂的主要原因，預(yù)應(yīng)力不足將進(jìn)一步導(dǎo)致T梁下?lián)希拱彘_裂，同時(shí)腹板豎向裂縫對(duì)橋梁承載能力有一定影響。為保證橋梁耐久性及承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)開裂裂縫進(jìn)行封閉處治后再對(duì)開裂梁板進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固補(bǔ)強(qiáng)。

關(guān)鍵詞 T梁；豎向裂縫；有效預(yù)應(yīng)力；結(jié)構(gòu)加固

中圖分類號(hào) U446.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）14-0089-03

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁豎向開裂原因較為復(fù)雜，諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行過相應(yīng)研究。其中，許鵬等[1]研究比較實(shí)測(cè)有效預(yù)應(yīng)力和理論有效預(yù)應(yīng)力差值，分析了預(yù)應(yīng)力損失對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，最后針對(duì)預(yù)應(yīng)力損失量按結(jié)構(gòu)的3種設(shè)計(jì)狀態(tài)，計(jì)算找出體外預(yù)應(yīng)力加固補(bǔ)強(qiáng)值，并對(duì)加固方法進(jìn)行比較，選擇合理處治方案。張國(guó)輝等[2]以標(biāo)準(zhǔn)跨徑30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的腹板豎向開裂病害為研究對(duì)象，分析了裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土T梁截面不均勻收縮、結(jié)構(gòu)整體降溫、預(yù)應(yīng)力損失和結(jié)構(gòu)多余約束等不利因素的綜合作用。周靜雯[3]的研究結(jié)果表明：由于T梁各部位體表比不同，導(dǎo)致T梁截面產(chǎn)生不均勻收縮應(yīng)力，腹板較薄，呈受拉狀態(tài)，而翼緣板與馬蹄呈受壓狀態(tài)，橋面鋪裝和普通鋼筋對(duì)截面不均勻收縮效應(yīng)有顯著影響，該效應(yīng)使T梁腹板內(nèi)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，對(duì)T梁腹板開裂有重要的影響。旬小虎[4]通過荷載試驗(yàn)有效檢測(cè)裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)受力的響應(yīng)情況及橋梁的安全性。

該文以石鎖高速公路K103+069某3×30 m+4×30 m的先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋?yàn)槔?，通過對(duì)T梁裂縫開裂情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)裂縫發(fā)展趨勢(shì)、結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)、鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力及荷載試驗(yàn)等內(nèi)容進(jìn)行檢測(cè)，提出T梁開裂原因及處治措施[5]。

1 工程概況

石鎖高速公路K103+069右幅橋梁為3×30 m+4×30 m的先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，上部結(jié)構(gòu)T梁按照預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計(jì)，橋梁于2012年完成交工檢測(cè)，交工檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)梁板開裂，2014年竣工檢測(cè)發(fā)現(xiàn)2-3#T梁腹板出現(xiàn)8條對(duì)稱的豎向裂縫。

1.1 腹板開裂情況

2-3#T梁距B端8.9 m、10.4 m、12.3 m、13.9 m、14.5 m、17.4 m、19.4 m、22.1 m處，腹板兩側(cè)各有8條對(duì)稱豎向裂縫，部分裂縫向馬蹄斜面及側(cè)面延伸5～50 cm，長(zhǎng)度L=146～218 cm，最大寬度δmax=0.18 mm。另外，距B端16.5 m處右側(cè)腹板有1條斜向裂縫，向馬蹄斜面及側(cè)面延伸33 cm，長(zhǎng)度L=165 cm，最大寬度δmax=0.15 mm。裂縫詳細(xì)情況如表1所示。

1.2 檢測(cè)評(píng)估內(nèi)容

1.2.1 裂縫發(fā)展趨勢(shì)分析

對(duì)2012年交工驗(yàn)收質(zhì)量檢測(cè)腹板裂縫開裂情況與2014年8月竣工驗(yàn)收質(zhì)量檢測(cè)腹板裂縫開裂情況做比較，分析在兩年的試運(yùn)營(yíng)過程中，裂縫的發(fā)展趨勢(shì)及規(guī)律，為裂縫的成因分析提供依據(jù)。

1.2.2 結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)測(cè)量

在腹板開裂梁板2-3#梁的梁底粘貼反光片，采用全站儀測(cè)量梁底標(biāo)高，通過實(shí)測(cè)梁底線形與設(shè)計(jì)線形比較，分析T梁實(shí)測(cè)反拱與設(shè)計(jì)反拱的差值，為開裂原因提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2.3 鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)

采用現(xiàn)場(chǎng)恒載應(yīng)力測(cè)定技術(shù)，測(cè)試2-3#梁實(shí)測(cè)有效預(yù)應(yīng)力，為裂縫開裂原因提供參考，同時(shí)為后期梁板處治提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2.4 荷載試驗(yàn)檢測(cè)

該工程選取了K103+069橋右幅第一聯(lián)的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)，通過荷載試驗(yàn)，判斷開裂裂縫對(duì)橋梁承載能力的影響。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土腹板開裂T梁檢測(cè)評(píng)估結(jié)果

2.1 裂縫發(fā)展趨勢(shì)檢測(cè)分析結(jié)果

T梁裂縫的成因是多種因素綜合作用下的結(jié)果，T梁裂縫的存在會(huì)對(duì)截面的剛度產(chǎn)生一定影響，且會(huì)降低結(jié)構(gòu)的耐久性。但尤須關(guān)注的是裂縫是否處于發(fā)展階段，若裂縫處于發(fā)展階段，不加以處治則會(huì)導(dǎo)致橫截面有效面積減少，裂縫區(qū)域混凝土不參與抗拉、抗剪，影響承載能力，在車輛荷載等作用下裂縫加劇發(fā)展，底面貫通后造成截面中心軸上移，結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)一步減小，循環(huán)往復(fù)，將存在嚴(yán)重安全隱患。裂縫開裂時(shí)間如表2所示。

通過比較2012年及2014年檢測(cè)結(jié)果可知：2-3#梁腹板的8條豎向?qū)ΨQ裂縫均產(chǎn)生于兩年試運(yùn)營(yíng)通車過程中。

2.2 T梁幾何形態(tài)參數(shù)測(cè)定結(jié)果

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁在預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、二期恒載等因素作用下，T梁仍具有一定上撓的反拱值。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，實(shí)測(cè)反拱值小于理論反拱值，但實(shí)測(cè)值正常應(yīng)為上撓，而非下?lián)稀?shí)測(cè)梁底線形處于上拱/下?lián)蠣顩r能基本反映T梁張拉預(yù)應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求的情況，也能進(jìn)一步佐證梁體有無結(jié)構(gòu)性裂縫或結(jié)構(gòu)性裂縫嚴(yán)重與否。

2-3#T梁腹板豎向開裂，實(shí)測(cè)T梁下?lián)?，與設(shè)計(jì)的理論值不一致，表明預(yù)應(yīng)力張拉不足。

2.3 鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

在K103+069（右幅）橋上選擇兩個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鋼絞線預(yù)應(yīng)力檢測(cè)，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果匯總于表3。其中理論計(jì)算初始張拉應(yīng)力根據(jù)設(shè)計(jì)取為1 395 MPa，且考慮成橋后2年的徐變效應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響。

K103+069（右幅）橋有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果見表3，由表3可知：抽檢的1片T梁中所測(cè)鋼絞線恒載有效預(yù)應(yīng)力實(shí)測(cè)值均不滿足原設(shè)計(jì)值，梁底拉應(yīng)力超限，梁體也發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性裂縫，且裂縫條數(shù)較多，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，寬度超限。

3 橋梁荷載試驗(yàn)結(jié)果

3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果

（1）結(jié)構(gòu)剛度

試驗(yàn)荷載作用下，各控制截面大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)撓度值小于計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.62～1.09之間，處于《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》（YC4—4/1978）規(guī)定的常值范圍（0.60～1.10），但和同類橋形相比，撓度校驗(yàn)系數(shù)較同類橋形偏大。第1跨最大實(shí)測(cè)撓度增量為1.98 mm，為第1跨計(jì)算跨徑的1/10 000，第2跨最大實(shí)測(cè)撓度增量為1.76 mm，為第2跨計(jì)算跨徑的9/100 000，各加載工況卸載后，大多數(shù)控制測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)相對(duì)殘余變形小于檢測(cè)規(guī)范限值（20%），個(gè)別的最大實(shí)測(cè)相對(duì)殘余變形超過規(guī)范限制，最大實(shí)測(cè)相對(duì)殘余變形為20.47%。

靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)剛度基本滿足設(shè)計(jì)要求，但和同類橋形相比，校驗(yàn)系數(shù)略微偏大，說明腹板豎向裂縫對(duì)橋梁承載能力有一定影響。

（2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

試驗(yàn)荷載作用下，控制截面的實(shí)測(cè)應(yīng)力總體正常，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)處于0.42～1.07之間，和《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》（YC4—4/1978）規(guī)定的常值范圍（0.60～1.10）接近，但和同類橋形相比，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)較同類橋形偏大。最大實(shí)測(cè)混凝土拉應(yīng)力增量為4.55 MPa。

上述截面的結(jié)構(gòu)受力基本正常，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本滿足設(shè)計(jì)荷載要求，但和同類橋形相比，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)略微偏大，說明腹板豎向裂縫對(duì)橋梁承載能力有一定影響。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

（1）自振特性理論計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果

采用有限元模型計(jì)算結(jié)構(gòu)自振特性，橋跨結(jié)構(gòu)前三階豎向彎曲理論頻率分別為3.8 Hz、5.0 Hz和7.2 Hz。通過對(duì)脈動(dòng)信號(hào)的頻譜分析得到結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)自振頻率，實(shí)測(cè)前三階自振頻率分別為4.7 Hz、5.5 Hz和7.2 Hz。

橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)頻率均略高于理論計(jì)算頻率，橋梁的剛度基本滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）行車動(dòng)力響應(yīng)

在橋面無障礙情況下，采用1臺(tái)載重車居中勻速通過橋梁，車速為30 km/h、40 km/h、50 km/h。

單車30 km/h、40 km/h、50 km/h行車試驗(yàn)下，中跨跨中截面的實(shí)測(cè)應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)為1.14，較設(shè)計(jì)規(guī)范取值（1＋μ＝1.26）偏小，行車動(dòng)力響應(yīng)正常。

4 T梁評(píng)估結(jié)論與原因分析

4.1 檢測(cè)評(píng)估結(jié)論

（1）裂縫發(fā)展趨勢(shì)分析表明：腹板存在的豎向裂縫為通車兩年試運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生。

（2）由T梁梁底線形結(jié)果分析可知：實(shí)測(cè)T梁下?lián)吓cT梁腹板豎向開裂具有一致性。

（3）有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果表明：存在腹板豎向裂縫的T梁預(yù)應(yīng)力有較大損失，不滿足A類構(gòu)件設(shè)計(jì)要求，梁底拉應(yīng)力超過規(guī)范限值，K103+069（右幅）的2-3#梁與設(shè)計(jì)理論值相比偏小33.53%。

（4）橋梁荷載試驗(yàn)結(jié)果表明：石林至鎖龍寺高速公路K103+069右幅橋試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)承載力基本滿足設(shè)計(jì)荷載的要求，但和同類橋形相比，腹板豎向裂縫對(duì)承載能力有一定影響。

4.2 裂縫成因分析

結(jié)合病害橋梁的裂縫形態(tài)、分布、T梁梁底下?lián)?、鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試及橋梁荷載試驗(yàn)結(jié)果，分析梁體裂縫主要成因如下：

抽檢T梁鋼絞線恒載有效預(yù)應(yīng)力實(shí)測(cè)值小于A類構(gòu)件限值，K103+069（右幅）的2-3#梁與設(shè)計(jì)理論值相比偏小33.53%，梁底拉應(yīng)力超限，在運(yùn)營(yíng)荷載作用下梁體開裂。

4.3 T梁裂縫處治措施

（1）從荷載試驗(yàn)的結(jié)果看，裂縫對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的承載能力有一定影響，同時(shí)梁體出現(xiàn)裂縫已經(jīng)不能滿足A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的要求，且部分裂縫長(zhǎng)且寬。從耐久性角度出發(fā)，需要對(duì)梁體裂縫進(jìn)行處理：裂縫寬度lt;0.15 mm，采用環(huán)氧樹脂膠泥進(jìn)行封閉；裂縫寬度≥0.15 mm，采用低壓注射環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行修補(bǔ)，并對(duì)處治后的裂縫加強(qiáng)觀測(cè)。

（2）從裂縫開裂時(shí)間、梁底線形及有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果來看，預(yù)應(yīng)力混凝土T梁有效預(yù)應(yīng)力損失較大，故對(duì)腹板開裂的梁體采取體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，抑制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)的承載力及抗裂能力，使梁體保持在A類構(gòu)件的設(shè)計(jì)水平。

5 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁腹板豎向開裂原因和T梁開裂時(shí)間、裂縫發(fā)展趨勢(shì)及鋼絞線實(shí)測(cè)有效預(yù)應(yīng)力值等有關(guān)，其主要原因?yàn)閷?shí)測(cè)T梁有效預(yù)應(yīng)力不足，進(jìn)而導(dǎo)致T梁下?lián)?，腹板開裂，同時(shí)腹板豎向裂縫對(duì)橋梁承載能力有一定影響。為保證橋梁耐久性及承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)開裂裂縫進(jìn)行封閉處治后再對(duì)開裂梁板進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固補(bǔ)強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-01-09

作者簡(jiǎn)介：許鵬（1988—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：橋梁檢測(cè)、施工監(jiān)控及加固設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：云南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目“基于微孔應(yīng)力釋放法的 PC 橋梁鋼束有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)研究”[云交科教便（2020）91]。