常見連續(xù)剛構(gòu)橋病害成因分析

楊則英 席興華 譚婷婷

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061)

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常見連續(xù)剛構(gòu)橋病害成因分析

楊則英 席興華 譚婷婷

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061)

簡(jiǎn)述了連續(xù)剛構(gòu)橋現(xiàn)階段存在的問題，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的典型病害的成因與影響因素進(jìn)行了分析，指明了影響連續(xù)剛構(gòu)橋的主要病害為跨中下?lián)吓c主梁開裂。

連續(xù)剛構(gòu)橋，跨中下?lián)希髁洪_裂

0 引言

目前大多數(shù)經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)營(yíng)的連續(xù)剛構(gòu)橋，都出現(xiàn)了許多病害，病害的形式多種多樣，對(duì)橋梁危害最大的病害有兩種：跨中下?lián)线^大與箱梁主梁開裂。這兩種病害之間又有著密切的關(guān)系：主梁開裂產(chǎn)生裂縫會(huì)降低箱梁的剛度，加劇了跨中下?lián)希鴩?yán)重的跨中下?lián)蠒?huì)導(dǎo)致底板混凝土超過極限拉應(yīng)力而開裂，形成了一種惡性循環(huán)。如不及時(shí)加固修補(bǔ)，很可能會(huì)造成主體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。下面就對(duì)這兩種病害進(jìn)行詳細(xì)的成因分析。

1 主梁下?lián)铣梢蚍治?/h2>

1.1 混凝土徐變的影響

連續(xù)剛構(gòu)橋作為典型的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的徐變特性對(duì)橋梁的長(zhǎng)期服役能力有很大的影響，成為制約其跨越能力的關(guān)鍵問題。同樣，對(duì)于已建橋梁的檢測(cè)、維修、加固來說，準(zhǔn)確計(jì)算混凝土的徐變效應(yīng)顯得尤為重要。

徐變是混凝土這種非線性材料的一種表現(xiàn)形式，目前非線性徐變理論遠(yuǎn)未達(dá)到準(zhǔn)確適用的地步，學(xué)者們常近似認(rèn)為徐變變形與應(yīng)力之間存在著線性關(guān)系?，F(xiàn)有的計(jì)算方法均不能準(zhǔn)確計(jì)算得出混凝土的徐變大小，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員對(duì)混凝土(特別是高標(biāo)號(hào)混凝土)徐變的嚴(yán)重性和長(zhǎng)期性認(rèn)識(shí)不足，片面地理解徐變終止于橋梁建成三年之后[2]。從國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況來看，一些大跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋，跨中下?lián)贤鶜v時(shí)五年仍在繼續(xù)。而20世紀(jì)90年代強(qiáng)調(diào)的結(jié)構(gòu)輕型化，減小了箱梁腹板和底板尺寸，而混凝土的徐變理論表明，構(gòu)件越輕薄，理論厚度越小，混凝土承受的應(yīng)力越大，徐變系數(shù)就越大。由于對(duì)徐變估計(jì)不足，美國(guó)1978年完工的采用輕骨料混凝土的鸚鵡渡口橋在運(yùn)營(yíng)12年后，接近200 m的主跨跨中下?lián)狭?3.5 cm。

1.2 預(yù)應(yīng)力損失的影響

對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件來說，預(yù)應(yīng)力損失的程度與有效預(yù)應(yīng)力度有著密切關(guān)系，而后者是影響整個(gè)結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵所在[3]。這里所指的預(yù)應(yīng)力損失多種多樣，既有縱向的，也有豎向和橫向的損失。我國(guó)公路橋涵規(guī)范(JTG D62—2012)中就規(guī)定預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)計(jì)算中，應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的摩擦、錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮、預(yù)應(yīng)力鋼筋與臺(tái)座之間的溫差等6種預(yù)應(yīng)力損失。

有研究表明，徐變變形隨著預(yù)應(yīng)力度的增大有減小的趨勢(shì)，反之亦然。因此若橋梁的預(yù)應(yīng)力度變小，則有可能徐變變形增大，導(dǎo)致主梁下?lián)献冃卧龃蟆?/p>

1.3 設(shè)計(jì)問題

國(guó)內(nèi)在某段時(shí)間設(shè)計(jì)連續(xù)剛構(gòu)橋時(shí)由下彎鋼束改為了直線型鋼束，后期的檢測(cè)報(bào)告顯示這種改動(dòng)直接加速了跨中的下?lián)稀＝煌ú吭M織專家研究單位進(jìn)行了調(diào)查研究，并對(duì)縱向頂板預(yù)應(yīng)力筋只布設(shè)直線形索的方法給予了否定[4]。另外在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)中支點(diǎn)負(fù)彎矩鋼束的預(yù)估不足，只按照上緣不出現(xiàn)拉應(yīng)力控制負(fù)彎矩鋼束的數(shù)量，沒有考慮到預(yù)應(yīng)力與徐變下?lián)现g的關(guān)系，有研究資料表明,負(fù)彎矩區(qū)域截面的應(yīng)力梯度與徐變下?lián)厦芮邢嚓P(guān)，如圖1所示。

1.4 運(yùn)營(yíng)階段活載的影響

徐變撓度的計(jì)算只針對(duì)活載計(jì)算，但在橋梁開放交通時(shí)，結(jié)構(gòu)的徐變還未完成，隨著交通量的增長(zhǎng)，重型車輛的反復(fù)作用，交通的堵塞，事實(shí)上活載也變成了恒載的一部分作用于橋上，也會(huì)產(chǎn)生徐變撓度，導(dǎo)致下?lián)显龃骩5]。

1.5 施工質(zhì)量的影響

在施工過程中各個(gè)施工階段的質(zhì)量控制不到位、強(qiáng)迫合龍等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)處于不利成橋狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力管道未按要求布設(shè)導(dǎo)致鋼束與管道間摩擦力增大，鋼束孔道壓漿不飽滿，漿體離析導(dǎo)致孔道內(nèi)積水，都會(huì)直接或間接導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)在成橋之后徐變及撓度不斷增加。

2 主梁開裂成因分析

連續(xù)剛構(gòu)橋的箱梁梁體裂縫可分為三類：橫向裂縫、縱向裂縫和斜向裂縫。橫向裂縫多見于梁體下?lián)系目缰械装?，發(fā)展嚴(yán)重的會(huì)延伸至腹板，形成貫通U形裂縫；縱向裂縫是與車流方向平行的裂縫，一般見于箱梁的頂板與底板下緣；斜向裂縫多見于腹板主拉應(yīng)力裂縫[6]，下面對(duì)此三種裂縫進(jìn)行具體成因分析。

2.1 腹板主拉應(yīng)力裂縫

腹板的斜裂縫是梁橋出現(xiàn)最多的一種裂縫，裂縫多發(fā)生在跨中兩側(cè)至支座附近，主要是由于此處的剪應(yīng)力最大，并且有向受壓區(qū)發(fā)展的趨勢(shì)。斜裂縫的傾角在15°～45°之間，離跨中越近，傾角越小。多由箱梁下緣向上延伸。裂縫寬度一般在0.3 mm以下，主要是由于混凝土收縮預(yù)先使梁產(chǎn)生微觀的裂縫或存在出拉應(yīng)力使腹板受拉區(qū)實(shí)際參加了工作。但是在實(shí)踐中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的連續(xù)剛構(gòu)橋的腹板主拉應(yīng)力裂縫遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.3 mm的裂縫寬度，且裂縫寬度仍在發(fā)展。這反映出了橋梁設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于箱梁斜截面抗裂能力預(yù)估不足。形成腹板斜裂縫的原因主要有以下幾種：

1)國(guó)內(nèi)在某段時(shí)間設(shè)計(jì)連續(xù)剛構(gòu)橋時(shí)縱向頂板預(yù)應(yīng)力鋼絞線為直線形狀，取消了下彎鋼束。用豎向預(yù)應(yīng)力筋來代替下彎鋼束，這樣雖然減小了腹板厚度，但是由于豎向預(yù)應(yīng)力鋼束長(zhǎng)度相較于縱向預(yù)應(yīng)力鋼束少了很多，群錨張拉時(shí)很難控制不同鋼絞線之間的受力差異，容易斷絲。因此實(shí)際施工中一般采用直徑較粗的精軋螺紋鋼筋代替張拉。由于螺紋鋼筋張拉的預(yù)應(yīng)力損失較難控制，導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力度減少，而設(shè)計(jì)抗剪計(jì)算中豎向預(yù)應(yīng)力所占的比重較大。一旦豎向預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力度不滿足要求，不可避免地將造成主拉應(yīng)力過大而腹板開裂。

2)在橋梁設(shè)計(jì)中忽略了橫向力的影響而只計(jì)算豎向和縱向方向的主拉應(yīng)力，致使計(jì)算比實(shí)際結(jié)果偏小。

3)日照溫差導(dǎo)致箱梁頂板比箱梁內(nèi)部溫度高，造成箱梁頂板向外凸起，兩側(cè)腹板被迫向內(nèi)凹，內(nèi)腹板全截面受拉導(dǎo)致內(nèi)腹板開裂。

2.2 頂?shù)装蹇v向裂縫

頂?shù)装蹇v向裂縫的成因有以下幾種：

1)由于橫向彎矩的主要影響因素是汽車荷載為主的活載，而在連續(xù)剛構(gòu)橋的縱向彎矩構(gòu)成中，自重占了絕大部分，因此超載車輛的荷載作用，對(duì)橫向彎矩的影響比縱向彎矩大，如若車軸超重則易產(chǎn)生縱向裂縫[8]。

2)如若雙薄壁墩身澆筑與0號(hào)塊澆筑時(shí)間間隔過長(zhǎng)，則墩身和0號(hào)塊的橫向收縮不同步，0號(hào)塊后期澆筑產(chǎn)生的收縮徐變會(huì)受到先期澆筑完已產(chǎn)生部分收縮徐變的墩身的約束從而產(chǎn)生底板受拉裂縫。這種情況同樣也會(huì)產(chǎn)生在懸臂施工澆筑間隔時(shí)間過長(zhǎng)的時(shí)候。

3)由于頂板尺寸較底板薄，又需布置縱、橫預(yù)應(yīng)力鋼筋。預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋在頂板內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜，施工時(shí)稍不注意就會(huì)造成預(yù)應(yīng)力定位不準(zhǔn)確，則易在頂板下緣出現(xiàn)縱向裂縫。

4)為了減輕跨中的自重，箱梁底板在跨中厚度僅為25 cm～28 cm。而由于空間狹窄，預(yù)應(yīng)力鋼束橫向布置的間距較小，波紋管道之間的間距有時(shí)僅為6 cm～7 cm，截面挖空率和削弱非常大，如若橫向鋼筋布置不合理，混凝土施工質(zhì)量差，則底板預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉時(shí)底板的混凝土?xí)驗(yàn)槌惺懿涣祟A(yù)應(yīng)力鋼筋的徑向力而開裂[9]。

5)施加了過大的預(yù)應(yīng)力，對(duì)于全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，有必要預(yù)留2 MPa～3 MPa 壓應(yīng)力儲(chǔ)備來應(yīng)對(duì)一些局部應(yīng)力的影響，但是如若壓應(yīng)力預(yù)留的過大，既浪費(fèi)了預(yù)應(yīng)力鋼筋，又會(huì)造成頂?shù)装蹇v向開裂。

2.3 底板橫向裂縫

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋絕大部分都采用全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，按規(guī)范規(guī)定不應(yīng)出現(xiàn)橫向裂縫。而病害的出現(xiàn)反映了橋梁的正截面承載力不足。底板橫向裂縫產(chǎn)生的主要原因有以下幾種：

1)由于各種設(shè)計(jì)、施工等原因造成的有效預(yù)應(yīng)力不足。2)對(duì)剪力滯影響考慮不夠，腹板區(qū)域縱向拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于平均應(yīng)力[10]。3)梁體下?lián)线^大也會(huì)促使橫向裂縫的出現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前制約連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的主要病害為跨中的持續(xù)下?lián)吓c主梁因受力原因造成的開裂。而正確地分析病害是加固設(shè)計(jì)的前提，本文研究了影響大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)虾椭髁洪_裂的主要因素與原因，為之后的橋梁檢測(cè)與維修加固提供了有益參考。

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Genetic analysis of continuous rigid-frame bridge main diseases

Yang Zeying Xi Xinghua Tan Tingting

(SchoolofCivilEngineeringofShandongUniversity,Jinan250061,China)

Describe the present existing problems of continuous rigid-frame bridge. Analyze the typical causes and influence factors of continuous rigid-frame bridge main diseases. Pointed out the main diseases of continuous rigid-frame bridge are mid-span down deflection and box girder cracking.

continuous rigid-frame bridge， mid-span down deflection， box girder cracking

1009-6825(2017)06-0179-03

2016-12-13

楊則英(1973- ),女,副教授; 席興華(1987- ),男，在讀碩士； 譚婷婷(1992- )，女,在讀碩士

U445.71

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