剪切裂縫對連續梁橋承載能力的影響

譚 明 上海同豐工程咨詢有限公司

1 基本概況

本文橋梁為一座五跨變截面預應力混凝土連續梁橋，橋梁全長277.6m，跨徑組合為48.5m+3×60.0m+48.5m，橋面總寬20.0m，具體布置為：0.2m欄桿基座+2.3m人行道+15.0m車行道+2.3m人行道+0.2m欄桿基座。

橋梁上部主體結構為變截面預應力混凝土連續箱梁，箱體采用雙箱單室截面，箱梁間在支點及跨中位置設橫隔梁以加強橫向聯系。箱梁頂板寬為20.0m，單箱底板寬為5.0m，箱體外側翼緣寬3.0m，箱體間橫梁寬4.0m。跨中斷面梁高2.0m，中墩支點斷面梁高4.0m。

全橋箱梁采用三向預應力體系，縱向預應力束及箱梁頂板橫向預應力束均采用碳素鋼絲，腹板豎向預應力及墩頂橫梁橫向預應力筋均采用DL25冷拉Ⅳ級鋼筋。

全橋支座采用盆式橡膠支座，其中2#橋墩處為固定支座。箱梁混凝土設計強度為450#（C43）。

橋梁修建于1980年，設計荷載等級為汽車-20級，掛車-100驗算，人群荷載為3.5kN/m2。

2 結構性裂縫狀態

橋梁第1跨、第5跨箱梁外側腹板近橋臺處共發現10條剪切裂縫，最大裂縫長度4.2m，最大裂縫寬度0.6mm，部分裂縫腹板內外表面對應位置均存在，裂縫已裂穿箱梁腹板。從裂縫分布位置來看，裂縫均分布于箱梁截面高度最低的邊跨支點位置，其余橋墩支點處箱梁腹板均未出現斜裂縫。

通過對裂縫的日常監測發現，最大裂縫寬度未發生明顯變化，但有新的裂縫產生，且一條裂縫已裂穿腹板，說明裂縫仍在持續發展中。

腹板剪切斜裂縫為典型的結構性裂縫，已不能滿足規范規定的預應力混凝土構件不允許出現結構性裂縫的要求[1]，結構承載能力被削落。

3 荷載試驗

為分析剪切裂縫對橋梁實際承載能力的影響，采用荷載試驗是最有效的手段。通過對橋跨結構進行靜荷載加載，測量試驗荷載作用下橋梁主要結構控制截面應變（應力）和撓度等指標，能有效檢驗結構的強度和剛度的變化。

3.1 試驗荷載效率系數

把原設計汽車-20級，掛車-100荷載作為設計荷載，采用midascivil橋梁計算軟件建立空間模型進行計算分析，試驗等效荷載需要采用6輛總重36t三軸載重貨車。

靜載試驗效率系數在0.97～1.01之間，滿足規范中相關要求對于鑒定性荷載試驗[2]，效率系數應介于0.95～1.05。

表1 應變實測值、理論值及校驗系數

表2 應變實測值、理論值和校驗系數

表3 撓度實測值、理論值及校驗系數

3.2 試驗成果及分析

3.2.1 荷載效應校驗系數

主要測點靜力荷載試驗結構校驗系數是評定結構工作狀況，確定橋梁承載能力的一個重要指標，一般要求結構校驗系數不大于1.0，值越小，安全儲備越大。

（1）試驗荷載作用下主梁應變實測值及校驗系數

在試驗荷載作用下，最大正彎矩斷面和最大負彎矩斷面箱梁應變校驗系數在0.5～0.7之間，應變校驗系數均小于1，表明箱梁最大正彎矩和最大負彎矩斷面的抗彎承載能力目前滿足試驗荷載的正常使用要求；邊墩處主梁最大剪力斷面應變校驗系數在1.62～2.57之間，應變校驗系數遠大于1，說明邊墩處抗剪承載能力不滿足試驗荷載的正常使用要求。

（2）試驗荷載作用下主梁豎向撓度實測值及校驗系數

在試驗荷載作用下，箱梁底板撓度校驗系數在0.49～0.52之間，撓度校驗系數均小于1，表明箱梁目前滿足試驗荷載的正常使用要求。

（3）結構相對殘余變形

試驗荷載作用下，彎矩斷面應變相對殘余變形最大為1.5%，撓度相對殘余變形最大為4.8%，均小于規范規定的相對殘余變形容許值20%[3]，說明結構接近彈性工作狀況；剪力斷面中性軸附近應變花相對殘余變形最大為125.0%，表明剪力斷面已不具備良好彈性回復能力。

3.2.2 典型裂縫監測

（1）測試方法和測點布置

為測定箱梁腹板裂縫在試驗荷載作用下的擴展情況，選取兩條剪切裂縫進行監測。試驗前對選取的每條裂縫進行標記，對每條裂縫尖端進行打磨并用酒精擦拭，確定裂縫的實際延伸點，然后在裂縫中部和尖端最低點布設2個應變測點，測試在試驗荷載作用下測點應變隨荷載的變化情況。

（2）測試結果及分析

表4 腹板裂縫應變實測值

由實測混凝土應變值及對應工況可得每條裂縫混凝土應變-彎矩關系曲線。東側裂縫跨縫應變片數據已經溢出，故不再進行對比（見圖1）。

圖1 裂縫測點應變-彎矩關系曲線

隨著荷載的逐級增加，裂縫尖端測點混凝土應變-彎矩關系曲線基本呈線性變化關系，未見明顯突變，表明在荷載作用下腹板裂縫未延伸擴展。東側裂縫跨縫應變變化無規律，且在第4級工況之后，應變急劇增大至數據溢出，說明該條裂縫寬度隨著荷載等級的變化，縫寬一直在增大；西側裂縫跨縫應變與荷載等級基本呈線性變化關系，表明在荷載作用下裂縫寬度未延伸擴展。

3.3 試驗結論

（1）上部結構主梁最大正彎矩斷面和最大負彎矩斷面的實際抗彎承載能力要好于理論狀況，相對殘余應變滿足規范要求，主梁抗彎承載能力未見明顯變化，具備良好的彈性回復能力。

（2）上部結構邊墩處主梁最大剪力斷面抗剪能力的實際狀況要差于理論狀況，相對殘余應變遠超規范要求，主梁抗剪能力有較大的削弱，已不具備良好的彈性回復能力。

（3）在試驗荷載作用下，梁端腹板剪切裂縫尖端應力與荷載呈線性變化，裂縫寬度最大處應力與荷載無明顯的規律。

4 結束語

橋梁梁端出現結構性裂縫，會導致主梁抗剪能力大幅下降，但對其正截面抗彎承載能力并無較大影響，在后期維修加固中應針對性對出現損傷的部位進行加固；梁端剪切裂縫在荷載作用下沒有規律可循，當荷載突破臨界值，其承載能力會急速下降，易產生脆性破壞，橋梁管養過程中須對此類裂縫引起足夠重視。