裝配式小箱梁橋病害產生原因分析

吳佳佳，秦磊慧

（1.山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032；2.山西交通控股集團有限公司 太原高速公路分公司，山西 太原 030006）

1 概述

我國中小跨徑橋梁眾多，混凝土小箱梁橋是其主要組成部分。隨著使用年限的增長，由于設計等級低、交通量增長等因素，我國早期建設的無橫隔梁、少橫隔梁的裝配式梁橋，普遍存在混凝土結構開裂、混凝土剝落、破損等各種病害[1]，甚至出現承載能力低，不能滿足公路交通需求下的橋梁運營安全，嚴重降低公路網的通暢性。該文基于橋梁病害統計分析了裝配式小箱梁橋病害成因，為橋梁的維修養護提供指導。

2 依托工程概況

某高速公路特大橋梁，主線橋長2 611.6 m，由左右兩幅組成，左右幅各19聯，主要以25 m裝配式預應力混凝土連續箱梁為主，間有15 m、20 m、26 m裝配式預應力混凝土連續箱梁，共103孔。等寬度按半幅橋梁寬度為14.0 m，變寬段橋面最大橋梁寬度為25.73 m，等寬段橋梁由4片預制小箱梁構成，箱梁中心距3.5 m，橫橋向通過濕接縫連接，其橫斷面如圖1所示。下部結構為柱式墩、肋板式臺，橋面鋪裝為9 cm瀝青混凝土+5 cm混凝土調平層。

圖1 跨中橫斷面圖（單位：cm）

橋梁設計荷載為汽車-超20級，掛車120。

橋梁運營20余年，存在以下病害：

a）主梁底板橫向裂縫共1 790道，總長1 766.17 m，裂縫最寬0.64 mm；主梁腹板豎向裂縫2 319道，總長1 978.5 m，裂縫最寬0.36 mm；腹板斜向裂縫485道，總長440.5 m，裂縫最寬0.86 mm；部分箱梁存在左右對稱的豎向裂縫，個別豎向裂縫與底板橫向裂縫貫通形成U形裂縫，且裂縫在持續擴展。

b）主梁底板縱向裂縫768道，總長3 401.40 m，裂縫最寬0.63 mm；主梁腹板縱向裂縫235道，總長467.59 m，裂縫最寬1.07 mm。

c）濕接縫共有裂縫409道，總長2 246.59 m，裂縫最寬0.41 mm。

d）橫隔板共有裂縫648道，總長501.17 m，裂縫最寬0.83 mm。

e）上部結構混凝土缺陷44處，缺損面積9.23 m2，露筋72根，總長23.8 m，滲水泛堿97處，總面積66.13 m2。

f）全橋支座開裂472個，脫空24個，串位1個。

g）橋墩蓋梁裂縫共322道，總長175.29 m，裂縫最寬1.8 mm；混凝土缺損6處，共4.49 m2，滲水、泛堿3處，總面積10.8 m2。

3 橋梁病害成因分析

a）箱梁底板裂縫和腹板豎向裂縫分布于326片主梁，將其匯總如表1。

表1 箱梁裂縫匯總

由表可知，約94.6%～96.4%的箱梁底板橫向裂縫、腹板豎向裂縫分布于正彎矩為主的L/4～3L/4跨徑范圍內，表明上述裂縫主要是由正常使用極限狀態的抗彎承載能力不足導致的，其中65.1%～77.6%的裂縫寬度小于0.1 mm。平均每片梁有1.9道/1.89 m底板橫向裂縫寬度大于等于0.1 mm、3.6道/3.53 m裂縫寬度小于0.1 mm，表明橋梁在長期往復荷載作用下，形成了主裂縫，且伴隨有新裂縫的萌生與擴展。進一步分析其原因，主要有3方面，一是該高速公路橋梁投入運營以來，公路交通流量大幅增長，且早期超載超限車輛較多，導致混凝土內部微裂縫開展，進而形成主梁底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫。二是橋梁設計標準低，將其橫斷面圖與按文獻[2]設計的標準圖進行截面參數比較，如表2，可知，該橋梁抗彎剛度僅為標準圖的0.77，相同荷載下，截面應力為標準圖的1.29倍，因此在現行交通流量下，大大增加了橋梁開裂風險。三是橋梁主梁間距較大，且未設置跨中橫隔板，橫向整體性較差，超載重車作用下，主梁之間缺乏高效的橫向傳力構件，直接承受輪載作用的主梁所承擔的荷載大于按單梁法計算所采用的荷載橫向分布系數，超過箱梁正常使用極限狀態的承載能力而出現底板橫向裂縫；重車作用下各主梁所分擔的荷載差值較大，導致主梁之間存在明顯的相對位移和扭轉，也是箱梁出現腹板豎向裂縫的原因之一。

表2 截面參數對比

b）箱梁底板與腹板縱向裂縫寬度均較大，最大裂縫寬度為0.63～1.07 mm，箱梁底板與腹板縱向裂縫分別有2 399.3 m/539道、395.4 m/197道裂縫寬度大于等于0.1 mm，占比達70.5%～84.6%。箱梁底板與腹板縱向裂縫總長之比為7.3，底板、腹板縱向裂縫平均長度為4.4 m、2.0 m。該類型裂縫的特征為：（a）縱向裂縫主要分布于箱梁底板，且裂縫長度較長；（b）裂縫寬度較大，寬度大于等于0.1 mm的裂縫是其主要組成部分。分析其原因，主要是由于預制箱梁尺寸較小，普通鋼筋和預應力波紋管定位較為困難，施工難度大，混凝土保護層厚度不易保證，且橋梁建造年代裝配式橋梁為新型橋梁結構，缺乏該類型橋梁建設和施工管理經驗，施工質量不易保證；底板相對腹板預應力鋼束數量較多，且箱梁縱向受彎時底板受拉，進一步削弱了底板混凝土橫向抗拉強度，因此底板縱向裂縫較多。

c）濕接縫裂縫縱向裂縫占比為88%，其中87%裂縫寬度小于等于0.1 mm，裂縫平均長度約10 m。濕接縫是橋梁橫向傳力的主要構件，因此判斷濕接縫裂縫為結構性裂縫，其產生原因主要是主梁間距較大，且該橋未設置橫隔板，車輛輪載作用下濕接縫橫向受彎，下緣拉應力超過混凝土抗拉強度時開裂，汽車荷載作用下，裂縫持續擴展。

d）橫隔板裂縫與支座脫空等因素導致的各主梁支承反力不均勻密切相關，同時，施工質量控制不足也是該類型產生原因之一。

e）上部結構混凝土缺陷、露筋與模板安裝、混凝土施工等有關，施工質量控制不足是該病害產生的主要原因。滲水泛堿主要是由于裂縫、泄水孔滲水導致的。

f）支座病害成因是多方面的。一是支座墊石或支座頂板高程施工控制不足，導致支座高程偏離箱梁底板所在平面；二是支座剪切變形屬于正常情況，但剪切變形超限時應及時處置。支座剪切變形超限的原因主要有支座就位不當或支座質量缺陷。

g）橋墩蓋梁裂縫與各主梁支承反力不均勻導致的蓋梁彎矩、剪力超過設計值密切相關。

4 結論

通過分析裝配式小箱梁橋病害特征，從橋梁結構設計、施工、受力特點及其運營狀態等方面系統分析了結構病害產生原因，結論如下：

a）箱梁底板橫向裂縫、腹板豎向裂縫是由于橋梁設計標準低、結構抗彎剛度小、運營荷載偏大等多種因素導致的，大主梁間距橋梁不設跨中橫隔板導致的橋梁橫向整體性差也是該類裂縫產生的主要原因。

b）箱梁縱向裂縫主要位于底板，主要是由于混凝土保護層厚度不易保證、施工質量控制不足導致，且箱梁縱向受彎時底板的縱向拉應力削弱了底板混凝土橫向受拉性能。

c）濕接縫裂縫以縱向結構性裂縫為主，其產生主要原因是橋梁未設置跨中橫隔板，超限車輛局部輪載作用下下緣混凝土開裂。

d）其他裂縫多與橋梁施工質量控制不足有關。