現(xiàn)澆式實(shí)心板梁縱向裂縫分析及加固措施研究

吳 杰，許 浩

（1.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250002； 2.麗水學(xué)院，浙江 麗水 323000）

1 研究背景

現(xiàn)澆式實(shí)心板梁因構(gòu)造簡單、施工方便，是小跨徑橋梁中較為常見的橋梁結(jié)構(gòu)形式。20 世紀(jì)90 年代設(shè)計(jì)建造的部分現(xiàn)澆式實(shí)心板梁在運(yùn)營階段產(chǎn)生了各種病害，其中底板縱向開裂問題在該橋型中具有普遍性。國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)梁體開裂問題進(jìn)行了大量研究，蒲廣寧等[1]對(duì)梁端斜向裂縫進(jìn)行了分析，認(rèn)為腹板厚度過薄是產(chǎn)生斜向裂縫的原因。何兵[2]對(duì)先張法預(yù)應(yīng)力板梁進(jìn)行研究，認(rèn)為超載是板梁梁端主拉應(yīng)力超限的主要原因，并驗(yàn)證了粘貼鋼板法的加固效果。林源鋒等[3]認(rèn)為梁體在支座附近底板斜向開裂產(chǎn)生原因?yàn)榱憾宋捶忮^和汽車超載。張文浩等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)，施工質(zhì)量缺陷是PC 板梁底板縱向開裂的必要條件，主要包括底板厚度不足、混凝土強(qiáng)度不足。張巍[5]通過對(duì)鋼筋混凝土空心板梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證了早期裂縫對(duì)其極限承載能力基本沒有影響，經(jīng)封閉處理后能滿足正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求。這些研究成果均是針對(duì)裝配式上部結(jié)構(gòu)開裂問題，而對(duì)現(xiàn)澆式板梁的開裂問題鮮有涉及。

2 工程概況

2.1 橋梁概況

濰萊高速公路橋梁修建于1999 年，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20、掛車-120。本段高速公路以中小跨徑橋梁為主，其中8 m 跨徑現(xiàn)澆整體式鋼筋混凝土實(shí)心板梁，頂板寬12 m，梁高0.4 m。

2.2 病害情況

在定期檢測中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆實(shí)心板梁底板存在沿跨徑方向貫通的縱向裂縫，最大縫寬1.30 mm，且裂縫出現(xiàn)在橋梁中心線附近，主裂縫附近還伴隨有與之平行的短裂縫，底板縱向裂縫均存在明顯滲水泛白痕跡，見圖1。

圖1 底板縱向開裂

底板開裂處對(duì)應(yīng)臺(tái)帽未發(fā)現(xiàn)明顯病害，基本排除不均勻沉降導(dǎo)致開裂的可能。縱向裂縫進(jìn)行封閉處理后再次開裂。其橫向剛度勢必削弱，且外界雨水、空氣等不利條件易對(duì)開裂處鋼筋進(jìn)行銹蝕，進(jìn)一步加劇裂縫的發(fā)展，危機(jī)橋梁結(jié)構(gòu)安全。因此，必須對(duì)該橋進(jìn)行橫向補(bǔ)強(qiáng)加固。

3 底板縱向開裂原因分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用Midas Civil 建立有限元模型進(jìn)行荷載效應(yīng)分析計(jì)算。鑒于利用傳統(tǒng)桿系單元求解二維內(nèi)力困難，使用板單元模擬上部結(jié)構(gòu)并忽略兩側(cè)翼緣影響，計(jì)算恒載及活載作用產(chǎn)生的橫向彎矩效應(yīng)。

計(jì)算矩形截面受彎構(gòu)件正截面抗彎承載力：

式中: γ0—橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Md—彎矩組合設(shè)計(jì)值；fcd—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fsd、—普通鋼筋抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fpd、fpd—預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As、As—受拉區(qū)、受壓區(qū)普通鋼筋的截面面積，mm；Ap、—受拉區(qū)、受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積，mm；b—矩形截面寬度，mm；h0—截面有效高度，mm；a、—受拉區(qū)、受壓區(qū)普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的合力至受拉區(qū)、受壓區(qū)邊緣距離，mm；受壓區(qū)普通鋼筋合力點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)至受壓區(qū)邊緣的距離，mm；受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)處混凝土法向應(yīng)力等于零時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力，MPa。

使用Midas Civil 軟件計(jì)算可知，在恒載與設(shè)計(jì)荷載汽車-超20、掛車-120 基本組合作用下，板梁最大橫向彎矩為81.2 kN·m，恒載與現(xiàn)行公路-Ⅰ級(jí)基本組合作用下，板梁最大橫向彎矩為105.0 kN·m。根據(jù)每延米橫向配筋及截面高度，計(jì)算可得橫向承載能力為33.4 kN·m，即橫向彎矩承載能力遠(yuǎn)小于基本組合荷載作用值。且隨著交通量和荷載等級(jí)的提升，梁板橫向彎矩還會(huì)有所增加，加劇底板縱向開裂趨勢，與現(xiàn)場病害情況較好吻合。說明僅按照構(gòu)造要求進(jìn)行橫向配筋并不能滿足結(jié)構(gòu)承載需要，梁板橫向彎矩抵抗能力不足是縱向開裂的主要原因。

4 加固方法

（1）封閉裂縫處理。對(duì)于縫寬較小或因施工等早期原因產(chǎn)生的裂縫適宜用封縫膠進(jìn)行封閉處理。但對(duì)于受力產(chǎn)生的裂縫，僅用此方法處理后會(huì)再次開裂，故本橋可輔助使用此處理方法。（2）粘貼加固法。是采用結(jié)構(gòu)膠粘貼補(bǔ)強(qiáng)材料以提高構(gòu)件承載力的方法。優(yōu)點(diǎn)是由于侵占梁下高度很小，適用于對(duì)凈空要求較高時(shí)使用；缺點(diǎn)是此加固方法為被動(dòng)加固，需要構(gòu)件二次受力才能發(fā)揮作用。（3）體外預(yù)應(yīng)力加固法。通過增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力索對(duì)既有混凝土梁體主動(dòng)施加外力，以改善原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)的加固方法。體外索可調(diào)可換，控制合適張拉力值可以使既有裂縫閉合，且力矩相較于粘貼鋼板法增加，加固效果更加理想。

對(duì)粘貼鋼板加固試算，每延米長度底板粘貼Q235 鋼板，厚8 mm 寬100 mm，橫向通長布置。經(jīng)計(jì)算，其橫向承載能力為78.2 kN·m，較初始值提升了133%，但低于設(shè)計(jì)荷載基本組合作用值。如采用體外預(yù)應(yīng)力加固法，每延米選取2 束抗拉強(qiáng)度1 860 MPa 鋼絞線，公稱直徑為15.2 mm（1×7）進(jìn)行試算，加固后其橫向彎矩承載力為151.1 kN·m ，較初始值提升了352%，且滿足恒載與現(xiàn)行公路-Ⅰ級(jí)基本組合要求。見圖2。

圖2 沿跨徑方向橫向彎矩分布

由圖2 可知，主梁橫向彎矩效應(yīng)在跨中附近達(dá)到最大值，而后向兩側(cè)遞減。且隨荷載等級(jí)提升，橫向彎矩效應(yīng)隨之增加。粘貼鋼板加固對(duì)橫向抗彎能力提升有限，加固后尚低于設(shè)計(jì)荷載彎矩效應(yīng)。采用體外預(yù)應(yīng)力法加固后，主梁橫向抗彎能力有明顯提升，完全滿足現(xiàn)行規(guī)范[6]要求且有較大富余量。主動(dòng)加固對(duì)于既有裂縫可在一定程度上起到閉合作用，再配合裂縫封閉處理，可使主梁鋼筋免受外界侵蝕，保證結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)語

通過對(duì)現(xiàn)澆式實(shí)心板梁橋梁底縱向開裂機(jī)理進(jìn)行分析，認(rèn)為設(shè)計(jì)時(shí)并未充分考慮橫向彎矩作用，僅按照構(gòu)造進(jìn)行配置橫向鋼筋不能滿足結(jié)構(gòu)承載要求。對(duì)比幾種加固方法，在對(duì)橋梁凈空要求較低時(shí)，采用體外預(yù)應(yīng)力加固法配合封閉裂縫處理，可有效提升寬幅主梁橫向抗彎能力，避免縱向裂縫再次開裂，保護(hù)梁內(nèi)鋼筋不受外界侵蝕。