預應力混凝土連續箱梁病害評估及成因分析

馮海龍，高 巖，胡 強

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

預應力混凝土連續箱梁病害評估及成因分析

馮海龍，高 巖，胡 強

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

一城市快速路預應力混凝土連續箱梁橋在反彎點附近，腹板豎向開裂，裂縫最大寬度達0.7 mm。對該橋進行了外觀檢查、無損檢測、結構檢算及靜載試驗綜合評估，并結合評估結果對病害成因進行了分析。分析結果表明:腹板開裂是由于設計中反彎點處預應力鋼筋布置不合理，在反彎點處重心偏高且較集中，造成反彎點附近抗彎、抗裂強度不夠。此外，由于橋梁施工工藝欠佳或養護不當造成梁體在反彎點處收縮開裂，并在后期進一步發展。

預應力混凝土連續箱梁 反彎點 腹板豎向開裂 結構病害評估

1 橋梁概況

一城市快速路橋梁上部結構采用6跨等截面現澆預應力混凝土連續箱梁，梁高1.6 m。全聯為直線橋，跨徑布置為(25+25+26.61+33.39+25+25)m，橋寬14.5 m，橫向布置為1.5 m(綠化帶)+12.25 m(機動車道)+0.75 m(防撞欄桿)。主梁預應力筋采用規格為9-φj15.24 mm的低松弛鋼絞線，張拉控制應力1 302 MPa。箱梁及混凝土鋪裝層采用40號混凝土。結構跨中橫截面見圖1。

圖1 結構跨中位置橫截面 (單位:cm)

2 結構病害評估

2.1 結構病害評估方法

預應力混凝土連續箱梁結構病害評估是一個系統工程，按照其先后順序，主要分為外觀檢查、無損檢測、結構檢算及靜載試驗4個部分。

1)外觀檢查

外觀檢查是對結構及其附屬設施的所有構件或部位進行系統的檢查。對于預應力混凝土連續箱梁，裂縫檢查是該環節中最重要的檢查項目，檢查內容主要包括裂縫出現的位置、長度、寬度、形態及走向等。

2)無損檢測

針對外觀檢查中發現的結構開裂部位，采用超聲波探測法對裂縫深度進行檢測，進而判斷其是表面裂縫還是結構受力裂縫。

3)結構檢算

結構檢算可以全面掌握結構各構件的受力狀態。對于病害橋梁的結構檢算，按現場實測的結構尺寸及車輛質量建立全橋有限元模型加以計算分析，并根據外觀檢查及無損檢測的結果，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)的規定進行系數調整。

4)靜載試驗

對于開裂的預應力混凝土連續箱梁，可以通過靜載試驗的方法，判斷裂縫對結構受力的影響及結構預應力度是否滿足要求。

2.2 外觀檢查結果

外觀檢查發現部分橋跨反彎點處箱梁腹板存在豎向開裂現象，裂縫最大寬度0.7 mm，部分裂縫已延伸至底板，空間呈L形。梁體裂縫狀況見圖2。

圖2 梁體裂縫狀況

2.3 無損檢測結果

選取第2跨梁體，利用超聲波對其外側腹板開裂較寬處探測裂縫開展深度，梁體兩測點位置實測裂縫深度分別為150.3，199.3 mm。受鋼筋影響，實際裂縫深度可能較以上測試值更深，可以初步判斷為結構受力裂縫。

2.4 結構檢算結果

根據現場檢查結果及設計圖紙，分別按照該橋原設計規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTJ 023—85)及現行規范《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)進行結構檢算，分析該橋的受力狀態及病害產生原因。

該橋原設計荷載為汽車—超20級、掛車—120，梁體結構采用單箱雙室截面。計算時考慮了箱梁頂板、底板有效分布寬度和溫度效應。基于保守檢算，活載均按汽車—超20級、掛車—120考慮。其中，JTJ 023—85溫度效應按頂板升降溫5℃考慮，JTG D60—2004規范溫度效應按照溫度梯度模式考慮。

1)按JTJ 023—85進行結構檢算

在JTJ 023—85體系下，對主梁承載能力極限狀態和正常使用極限狀態受力進行檢算。結構檢算采用橋梁結構專業分析軟件橋梁博士V3.0。

承載能力極限狀態結構檢算內容為正截面抗彎承載力。正常使用極限狀態結構檢算內容為截面正應力、主應力及梁體剛度。在荷載組合Ⅰ～Ⅲ下，結構檢算結果均滿足JTJ 023—85要求。

2)按JTG D60—2004進行結構檢算

在JTG D60—2004以及JTJ 023—85體系下，對主梁承載能力極限狀態和正常使用極限狀態受力進行檢算。結構檢算采用橋梁結構專業分析軟件MIDAS。

承載能力極限狀態結構檢算內容為正截面抗彎強度和斜截面抗剪強度。檢算結果表明:考慮 JTG D60—2004溫度效應，主梁正截面抗彎強度在墩頂及跨中位置滿足要求，但在反彎點附近部分截面不滿足規范要求;主梁斜截面抗剪強度滿足規范的要求。正截面抗彎強度檢算結果見表1。

正常使用極限狀態結構檢算內容為正截面抗裂、斜截面抗裂及主梁剛度。檢算結果表明:主梁斜截面抗裂、第4跨4#墩頂附近正截面抗裂均不滿足規范對混凝土預應力A類構件要求;主梁剛度滿足規范要求。

2.5 靜載試驗結果

為掌握梁體的基本情況和受力性能，靜載試驗主要包括:跨中截面承載能力測試、墩頂截面承載能力測試、反彎點處裂縫專項測試。

表1 承載能力極限狀態正截面抗彎強度檢算結果kN·m

靜載試驗評估結果如下:

1)跨中截面承載能力測試

實測預應力連續箱梁第1跨0.4L處、第2跨跨中底板各測點應變整體變化均勻，未出現突變、退化現象，與荷載效率有良好的線性關系，線性相關系數在0.990 8～0.991 7，最大荷載效率分別為1.02，1.01。表明梁體跨中在試驗荷載作用下未出現開裂現象，梁體抗裂性能滿足要求。

實測預應力連續箱梁第1跨0.4L處、第2跨跨中底板平均應變分別為37×10－6，38×10－6，理論值分別為50×10－6，36×10－6，應變校驗系數分別為0.74，1.05，基本滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)中預應力混凝土結構應變校驗系數＜1.0的要求。

實測預應力連續箱梁第1跨0.4L處、第2跨跨中位置撓度值分別為 2.26，2.07 mm，理論值分別為3.15，2.28 mm，撓度校驗系數為 0.72，0.91，均滿足JTG/T J21—2011中預應力混凝土結構變形校驗系數＜1.0的要求。但結合相關試驗經驗，同類預應力混凝土橋梁撓度校驗系數一般在0.7～0.8，因此該預應力連續箱梁橋整體剛度偏低。

2)墩頂截面承載能力測試

實測預應力連續箱梁第1跨1#側墩頂位置底板受壓平均應變為－17×10－6，理論計算為－20×10－6，應變校驗系數為0.85，滿足 JTG/T J21—2011中預應力混凝土結構應變校驗系數＜1.0的要求。

3)反彎點處裂縫專項測試

選擇開裂較為嚴重的第2跨2#墩側反彎點處腹板進行靜載試驗，測試截面測點布置見圖3，測試結果見表2。

圖3 測試截面測點布置 (單位:cm)

表2 測試截面實測應變 ×10－6

由表2可知，除絕對值較小的測點外，其余測點卸載相對殘余應變均較小，滿足 JTG/T J21—2011中關于測試截面主要測點相對殘余應變不超過20%的要求。在整個加載過程中各測點應變變化規律一致，未出現異常變化的情況，說明測試截面在整個加載過程中處于良好的彈性工作狀態。

截面正彎矩測試中，實測梁體下翼緣受拉平均應變為40×10－6，理論計算值為18×10－6，應變校驗系數為2.22，應變校驗系數不滿足 JTG/T J21—2011中預應力混凝土結構應力校驗系數＜1.0的要求。

截面負彎矩測試中，實測梁體下翼緣受壓平均應變為－42×10－6，理論值為－15×10－6，應變校驗系數為2.8，應變校驗系數不滿足JTG/T J21—2011中預應力混凝土結構應變校驗系數＜1.0的要求。

根據實測應變，可推算出截面下緣鋼筋在活載作用下的應力幅為32.8 MPa。

3 結構病害成因分析

綜上分析，試驗跨梁體跨中及墩頂截面受力基本能滿足設計荷載的正常使用要求，梁體整體剛度偏低;但反彎點處測試截面應變相對非開裂截面應變有明顯增大的現象，且裂縫附近應變存在滯后及退化的現象，說明目前結構表面裂縫為受力裂縫。

裂縫出現與以下兩方面的原因有關:

1)由于橋梁原設計中反彎點處預應力鋼筋布置不合理，在反彎點處重心偏高且較集中，造成反彎點附近抗彎、抗裂強度不夠，梁體開裂，整體剛度偏低。

2)由于橋梁施工工藝欠佳或養護不當，造成梁體于施工接縫處收縮開裂，并在后期進一步發展。

4 結語

由于橋梁設計中反彎點處預應力鋼筋布置不合理、施工工藝欠佳或養護不當，可能會造成反彎點附近、施工接縫附近梁體開裂，需引起設計人員和養護人員高度重視。

［1］嚴國兵，高巖，王石磊.預制小箱梁受力性能評估及特殊病害成因分析［J］.鐵道建筑，2013(8):1-5.

［2］陳韻，劉伯奇.預應力混凝土連續箱梁加寬改造后安全評估［J］.鐵道建筑，2015(6):24-26.

［3］中華人民共和國交通部.JTJ 021—89 公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，1989.

［4］中華人民共和國交通部.JTJ 023—85 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京:人民交通出版社，1985.

［5］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［6］中華人民共和國交通部.JTG/T J21—2011 公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

(責任審編 鄭 冰)

U448.21+3

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.06

2015-05-11;

:2015-09-27

馮海龍(1988— )，男，碩士。

1003-1995(2015)11-0021-03