橋面未鋪裝狀態下帶裂縫現澆箱梁承載力試驗評估研究

劉世建 卓小麗 楊雨厚

（廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007）

在橋梁施工過程中，橋梁主要承重結構出現裂縫、承載能力不明確時，承載力試驗研究具有重要意義。橋梁承載能力試驗評估方法多種多樣，主要有結構檢算法、荷載試驗法、基于可靠理論的方法、實橋調查分析法、專家經驗法等[1-3]。近年來，黃雪欽通過荷載試驗方法對空腹式雙曲拱橋承載能力進行了研究[4]；趙曉輝等人對凝土梁采用體外預應力加固后結構承載能力進行了研究[5]；葛東云利用分段處理法改進了加筋板軸壓極限承載的工程算法，并應用于實際工程[6-7]。然而，這些方法主要適用剛剛建成或服役期內的橋梁，理論方式對裂縫的模擬與實際情況吻合不佳，成橋狀態下結構受力顯然與施工各階段有關，不同施工階段結構的受力各不相同，如何準確評價施工階段出現裂縫的橋梁承載力是否滿足要求，是我們需要研究的一個方向。本文對一工程實例中的荷載試驗方法進行了研究，基于相關規范要求，通過對橋面鋪裝層未施工狀態下橋梁混凝土強度、剛度及荷載作用下裂縫發展趨勢，結合規范限值，對裂縫變化情況進行評價。得到了一種帶裂縫現澆箱梁承載力試驗的等效加載方法。有助于準確判斷施工裂縫對結構的影響程度，對于施工過程中發現施工裂縫后的快速反應提供了一個新的思路，保障了橋梁施工階段安全、提高了經濟效益。

一、背景工程

某市政橋梁位于某市的中歐產業園，南北走向，1#跨和2#跨依次跨越一條二級公路和一條高速。橋梁為左右幅結構分離的等截面箱梁橋，單幅橋寬8.50m，兩幅之間凈距0.50m。橋梁跨徑總長111.40m，上部結構跨徑組合為（28.9+35.0+24.0+23.5）m，為預應力混凝土現澆箱梁（支架現澆），單箱單室，梁高1.7m，梁體混凝土為C50。橋臺采用重力式橋臺，基礎采用樁基礎；橋墩采用鋼筋混凝土方柱墩，基礎采用樁基礎。橋面鋪裝采用8cm厚C50混凝土＋防水層＋9cm瀝青混凝土。支座采用盆式支座，1#和4#橋臺橋面處各設置一道E-80型伸縮縫?；炷料淞簷M斷面布置如圖1。

主要技術標準如下：

（1）設計荷載等級：城-A級；

（2）單幅橋寬布置：8.50m=0.50m（防撞護欄）+7.50m（行車道）+0.50m（防撞護欄）；

（3）橋面橫坡：雙向2.0%。

橋梁在完成箱梁混凝土澆筑、張拉了箱梁預應力筋后，發現箱梁頂板的頂面出現的較多網狀裂縫，左右幅均有，縫寬0.04～0.20mm之間，縫深大多在1.0～2.5cm范圍，個別縫深達到4.0cm，分布沒有規律。箱梁分兩次澆筑，第一次澆筑的底板和腹板，第二次澆筑頂板，底板和腹板未出現裂縫。初步判斷，因水泥供貨緊張，澆筑箱梁頂板的水泥剛生產出來就運至施工現場拌合站，水泥本身的溫度還較高，未完成達到安定期，就進行拌合澆筑，加上隨后的養護工作也沒到位，以致頂板出現較多網狀裂縫?，F澆箱梁裂縫出現后，采用回彈法、鉆芯取樣方法對箱梁底板和腹板混凝土強度進行了檢測，混凝土強度均滿足設計要求?，F需要確定頂板開裂后，橋梁的承載能力是否還滿足設計荷載城-A級的要求，才能進行后續的橋面鋪裝和護欄的施工，用荷載試驗是最有效最直接的驗證方法。

圖1 現澆箱梁橫截面布置示意圖（單位：cm，試驗時鋪裝層和護欄未施工）

二、試驗評估方法

（一）試驗評估依據

本項目工程屬于城市橋梁，根據《城市橋梁檢測與評定技術規范》（CJJ/T 233-2015）的規定，鑒定性荷載試驗，靜力荷載試驗效率應大于或等于0.95，且不得大于1.05，靜力荷載試驗效率按下式計算[8-9]：

（1）中：ηs— 靜力荷載試驗效率；

Sstat—在加載重車荷載作用下，試驗控制截面的最大彎矩；

Sg—橋面鋪裝層和護欄恒載作用下，試驗控制截面的彎矩；

Sk—汽車荷載作用下，控制截面的彎矩（未包括汽車沖擊力產生的彎矩）；

μ—設計沖擊系數。

（二）有限元計算

選取有網裂較嚴重的的東福1#和2#跨進行荷載試驗，以判斷箱梁整體和開裂處局部承載能力是否滿足設計荷載等級要求。采用配重卡車進行等效加載，箱梁整體承載力以彎矩作為控制參數，裂縫處局部以裂縫的實際加載變化情況來分析[10-11]。試驗時橋面鋪裝層中8cm厚C50混凝土調平層和9cm厚瀝青混凝土、防撞護欄均尚未施工，因此，試驗的等效彎矩計算效應值除包含汽車荷載外，也需包含橋面鋪裝和防撞護欄等效彎矩值。

如圖2所示，采用限元軟件MIDAS/Civil對1#跨～4#跨進行結構分析，全橋共建立379個節點，366個梁單元，彈性連接模擬墩柱與主梁之間的約束，活動鉸支座設置于1#墩，其它支座為固定鉸支座。設計活載作用下結構豎向變形及箱梁下緣應力情況見圖3和圖4，其中結構豎向撓度最大為-14.12mm,下緣最大拉應力和壓應力分別為6.33MPa和-5.23MPa，根據公式（1），即在承載力現場試驗時需要達到相應設計活載作用下結構的效應值。

圖2 東幅（1#跨～4#跨）有限元模型示意圖

圖3 東幅（1#跨～4#跨）設計活載作用下豎向撓度計算圖

圖4 東幅（1#跨～4#跨）設計活載作用下箱梁下緣應力計算圖

（三）試驗評估內容

1.荷載試驗工況

荷載試驗安排6個試驗工況，包括正載、偏載和箱梁頂板該跨較寬裂縫處局部加載工況，其中偏載工況偏于路線東側。控制截面布置見圖5，各工況及加載效率見表1。

表1 荷載試驗工況及靜力荷載試驗效率表

圖5 東幅1#跨和2#跨試驗控制截面布置示意圖（單位：cm）

2.撓度測點

撓度測點布置在橋面，采用精密水準儀進行觀測。縱橋向布置在試驗跨的四分點，1#跨控制截面A1也作為撓度測試截面。橫橋向考慮箱梁剛度較大，在左右側各布置一個測點?？v橋向撓度測點布置如圖6，縱橋向撓度測點布置如圖7。

圖6 撓度測點縱向布置示意圖（單位：cm）

圖7 撓度測點橫向布置示意圖（單位：cm，試驗時鋪裝層和護欄未施工）

3.應變測點

應變測點布置在橋梁底部，采用自帶溫度補償的應變片進行測試?？v橋向布置在試驗跨的控制截面A1、Z1和A2處，如圖5。橫橋向應變測點布置如圖8。

圖8 應變測點橫向布置示意圖（單位：cm，試驗時鋪裝層和護欄未施工）

4.裂縫測點

在控制截面A1和A2附近各標記5條有代表性的裂縫，在相對應的試驗工況加載時，觀測其是否有擴展，并檢查控制截面附近是否有新的裂縫出現。

在試驗跨跨中附近各選取一條縫寬在0.15mm以上、縫深接近4.0cm的縱向裂縫，分別編號為LF1和LF2，試驗時利用既定重車縱向布置，軸重20噸的其中一輪位直接加載于裂縫處，采用裂縫測寬儀對縫寬進行動態測試，判斷裂縫擴展和恢復情況滿足規范要求，測點布置如圖9。

三、試驗評估結果分析

（1）撓度測試結果分析

根據最不利原則，對受力相對不利的1#跨進行分析。如圖10，在各試驗工況下，控制截面撓度的校驗系數在0.654～0.669之間，均小于1.0，說明試驗跨的整體剛度滿足要求；且各工況下最大相對殘余撓度為6.5%，小于20%，說明結構在等效荷載作用下處于彈性受力狀態。

圖9 裂縫測點布置圖

圖10 工況1和工況2滿載時撓度校驗系數圖

（2）應變測試結果分析

如圖11，在各試驗試驗工況下，根據各測點應變校驗系數計算出控制截面應變平均值的校驗系數，其值在0.665～0.798之間，均小于1.0，說明試驗跨的整體強度滿足要求；且各工況下最大相對殘余應變分別為3.5%，遠小于20%，說明結構在等效荷載作用下處于彈性受力狀態。

圖11 各工況滿載時各測點應變校驗系數圖

（3）裂縫變化情況分析

各工況1～工況4加載過程中，控制截面附近標記的裂縫未見擴展，同時未見有新的裂縫產生。工況4下的LF1和工況5下的LF2變化情況見表2?？紤]裂縫為非受力裂縫，其縫寬未超過0.20mm，加載時裂縫寬度變化微小，卸載后恢復原狀，縫寬和縫長均未擴展。因此，裂縫測試結果滿足規范要求。

表2 工況4下的LF1和工況5下的LF2變化情況表

四、結論

本文采用重卡車對網裂較嚴重的東幅1#跨和2#跨進行等效加載試驗，通過對橋面鋪裝層未施工狀態下橋梁混凝土強度、剛度及荷載作用下裂縫發展趨勢的評估研究得到了一些有益結論：

（1）在各試驗工況下，各對應的控制截面以及各測試截面撓度校驗系數均小于1.0，說明箱梁的整體剛度滿足要求；各控制截面各測點應變值以及應變平均值的校驗系數均小于1.0，說明箱梁整體強度滿足要求；所有工況下最大相對殘余撓度和最大相對殘余應變均小于20%，說明結構在等效荷載作用下處于彈性受力狀態；（2）在箱梁整體性的試驗工況下，箱梁表面裂縫長度未見擴展，沒有新的裂縫產生；裂縫在局部加載工況下，裂縫的動態變化滿足規范要求；（3）橋面鋪裝層未施工狀態下橋梁的承載能力確定時，通過等效加載的方式代替設計荷載，這種方法易于實現，且偏于安全；（4）帶裂縫現澆箱梁承載力試驗的等效加載方法，有助于準確判斷施工裂縫對結構的影響、提高施工安全及經濟效益。