斜交剛構橋主梁裂縫成因分析及處治技術

位東升

(1.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034； 2.中鐵大橋科學研究院有限公司 武漢 430034)

1 工程背景

某鋼筋混凝土雙線連續剛構橋橋跨布置為：20.5 m+24 m+24 m+20.5 m，其結構布置圖見圖1。

圖1 結構布置圖(單位：cm)

主梁采用分幅施工，剛構頂面寬12.6 m，梁底及剛構墩寬度為10 m，每側懸臂長1.3 m，懸臂根部高0.4 m，懸臂端部高0.2 m，剛構頂板厚1.35 m，墩梁相接梗肋處縱向尺寸為3 m×0.8 m,分幅中間預留2 cm伸縮縫，采用瀝青木板填塞，橫斷面示意見圖2。

圖2 半I-I半II-II截面(單位：cm)

橋墩采用四邊形實體剛構墩；支座采用球型鋼支座。該橋與線路夾角45°。

運梁車馱梁(運梁活載重量為二期恒載的2倍)行走后，發現梁體底部發現了大量的橫向裂縫，為保證后期運營過程中的橋梁結構安全，本文采用結構檢測、有限元模擬，以及相關理論分析的方法分析裂縫原因，并根據目前的技術，結合本橋的特點，提出3種處治方案，并進行方案比選。

2 結構檢測現狀

根據設計圖紙、施工過程記錄，以及相關方的材料，混凝土水膠比小于0.45，梁體拆模時間在混凝土澆筑完成后約1個月、基礎沉降穩定，拆模后未發現貫通裂縫。

主梁混凝土試件56 d齡期抗壓強度最小值為47.3 MPa，達到設計強度C40的118.3%，無損檢測(回彈法)結果顯示主梁強度(齡期：900 d)最小推定值為50.5 MPa，滿足相關規范要求。

底排縱向鋼筋保護層厚度采取取芯法測試，選取的4處底排縱向鋼筋實測保護層厚度分別為155，160，178，170 mm，均大于規定的底排縱向鋼筋保護層厚度44 mm，實測值不滿足規范要求。

采用無損檢測與鉆芯取樣相結合的方法對結構裂縫病害進行普查，裂縫展開平面布置見圖3，裂縫統計結果見表1。

圖3 主梁裂縫展開分布圖(單位：m)

表1 裂縫結果統計表

由圖3和表1可得，全橋發現裂縫共計231條，裂縫間距在0.10～1.50 m之間，最大裂縫寬度達0.50 mm，最大裂縫寬度大于200 mm，位于第一跨左幅。為進一步驗證裂縫深度，在第一跨左幅裂縫較寬處選取4處進行鉆芯取樣，芯樣1～芯樣4的芯樣長度分別為21，18，21.5，20 cm，根據芯樣外觀觀測結果，裂縫深度分別為17，16，17.5，20 cm。

3 裂縫成因分析

鋼筋混凝土剛構橋裂縫產生原因復雜，與多種因素有關，影響結構的耐久性及承載力[1-2]。根據結構檢測結果，本橋主梁裂縫成因主要與運梁車行走、底排縱向鋼筋保護層厚度過大有關。因此，采用有限元模擬和理論分析結合的方法，對結構進行計算分析，進一步明確裂縫產生的原因。

3.1 有限元模型

本文采用midas Civil和midas FEA有限元軟件建立梁單元模型及實體模型，根據梁單元模型計算結果確定加載位置，并將荷載施加到實體模型中，計算不同工況下的結構應力。主梁、橋墩采用C40混凝土，主梁受力鋼筋采用HRB400鋼筋，按實際幾何尺寸建模，實體模型的鋼筋采用理想彈塑性模型，混凝土采用塑性損傷本構模型。結構自重按混凝土25 kN/m3，鋼筋78.5 kN/m3計算，運梁車行走前部分已經施工的二期荷載(簡稱二期恒載1)單幅13 kN/m；全部施工完的二期荷載(簡稱二期恒載2)單幅80 kN/m。計算模型見圖4。

圖4 計算模型渲染圖

3.2 分析原理

分別計算3種工況(工況一，運梁車行走前；工況二，運梁車行走時；工況三，二期恒載鋪裝后)下的混凝土和鋼筋應力變化趨勢，分析運梁車行走對結構受力的影響；計算不同保護層厚度時3種工況下的混凝土裂縫寬度變化情況，并與實測裂縫寬度對比，分析保護層厚度變化對裂縫的影響；找出裂縫產生的主、次要原因。

3.3 計算結果與分析

3種工況下跨中混凝土及鋼筋的最大拉應力計算結果見圖5、圖6及表2。

圖5 關鍵截面混凝土應力計算結果

圖6 關鍵截面鋼筋應力計算結果

表2 各工況下跨中底板應力表 MPa

由圖6、圖7及表2可得，工況二為最不利工況，與工況一相比，運梁車行車引起的跨中混凝土應力最大增量為4.74 MPa，鋼筋應力最大增量為90.49 MPa；與工況三相比，運梁車行車引起的跨中混凝土應力最大增量為3.48 MPa，鋼筋應力最大增量為68.51 MPa。混凝土的應力增量大于C40混凝土的極限抗拉強度2.7 MPa，因此，可以判斷運梁車行走是造成跨中主梁開裂的一個原因。

鋼筋的應力增量及絕對值均小于鋼筋的容許應力270 MPa，說明最不利工況下鋼筋處于彈性工作范圍內，未受損，鋼筋可以繼續使用，結構可修復。

在不同工況荷載作用下，結構內力及裂縫寬度計算結果見表3。

表3 結構內力及裂縫寬度計算結果

由表2可得，鋼筋保護層厚度為理論厚度時，在最不利工況二作用下，跨中最大裂縫寬度為0.167 mm，小于規范限值0.2 mm；當鋼筋保護層厚度為實測厚度時，跨中最大裂縫寬度分別為0.578 mm，大于規范限值0.2 mm。說明鋼筋保護層厚度的變化降低了主梁的有效高度，造成成橋后在恒載作用下產生一部分裂縫，當運梁車行走時，底板鋼筋應力增大，造成混凝土裂縫進一步擴大，理論計算跨中裂縫寬度最大為0.578 mm，與實測最大裂縫寬度0.50 mm一致，在活載的反復作用下，混凝土開裂后導致殘余裂縫較大。

綜上可得，本橋的裂縫產生原因與鋼筋保護層厚度過大及運梁車行走有關，鋼筋保護層厚度過大導致受拉區鋼筋配筋率不足，表層165 mm范圍內僅素混凝土工作，是裂縫產生的根本及主要原因，運梁車行走增加了裂縫擴展，屬于裂縫產生的次要原因。

4 處治方案比選

粘貼碳纖維布、粘貼鋼板、施加體外預應力、局部翻修等加固手段在橋梁維修工程的應用越來越廣泛，且在不同的橋梁維修中均取得了不錯的效果[3-6]。為解決主梁跨中受拉區配筋率不足引起的開裂問題，保證后期運營過程中不再產生新的裂縫，制定了3種處治方案，分別為粘貼碳纖維布、粘貼鋼板、增加底排縱向鋼筋數量。

根據本橋特點，針對3種方案，從安全、工期、成本、施工難度、效果、后期養護費用及交竣工驗收等方面進行了對比分析，結果見表4。

表4 各方案對比表

續表4

由表4可得，方案三具有工期短、成本低、后期無需特殊養護，且處治后外觀與新橋一致，不影響交竣工驗收等優點，故推薦方案三，即增加底排縱向鋼筋數量的方式。該橋處治后已驗收并通車運營，目前橋梁運營狀況良好。

5 結語

文中對某鋼筋混凝土雙線連續剛構橋主梁底部出現的大量橫向貫通裂縫，進行結構檢測并分析結果，發現裂縫成因主要與運梁車行走、底排縱向鋼筋保護層厚度過大有關。

通過計算及理論分析得出：鋼筋保護層厚度過大導致受拉區鋼筋配筋率不足，表層165 mm范圍內僅素混凝土工作，是裂縫產生的根本及主要原因；運梁車行走增加了裂縫擴展，屬于裂縫產生的次要原因。

為解決主梁跨中受拉區配筋率不足引起的開裂問題，保證后期運營過程中不再產生新的裂縫，制定了3種處治方案，綜合對比安全、工期、成本、施工難度、效果、后期養護費用、交竣工驗收等因素，推薦增加底排縱向鋼筋數量的方式，該橋處治后已驗收并通車運營，目前橋梁運營狀況良好。