現(xiàn)澆連續(xù)箱梁頂板橫向裂縫成因分析

李賁

廣州市第一市政工程有限公司 廣東 廣州 510060

1 工程概述

海琴橋?yàn)橹楹Ｊ珠T中央商務(wù)區(qū)橫琴片區(qū)五座造型別致充滿寓意的大橋之一，是五座橋中跨度最長(zhǎng)、地理位置最顯著的一座，位于金融島人工河的入口處， 橋梁跨徑布置為（37.5+3×40+37.5）m，全長(zhǎng)195m的5跨全預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋。主梁標(biāo)準(zhǔn)寬43.0m，主梁為等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，中心梁高2.4m。 拱肋采用主副拱箱形鋼構(gòu)件，拱肋通過(guò)吊索與主梁連接，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

箱梁采用左右幅對(duì)稱布置，全橋橋面總寬度43.0m，單幅橋面寬度21.5m，箱梁底板寬15.48m，主梁采用單箱四室直腹板箱形截面布置。 箱梁頂板厚0.28m，底板厚0.25m，腹板厚0.4～0.6m，外側(cè)翼緣板懸臂長(zhǎng)3.0m，懸臂端部0.2m，根部厚0.55m，內(nèi)側(cè)翼緣板懸臂長(zhǎng) 3.02m，懸臂端部0.2m，根部厚0.55m。端、中橫隔墻厚度分別為1.5m和2m。主梁采用縱向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)力束有腹板束、頂板通長(zhǎng)束、頂板 支點(diǎn)短束、底板通長(zhǎng)束、底板跨中短束，采用15-Φs 15.2、12-Φs 15.2、9-Φs15.2三種類型鋼絞線?？v向預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa，采用高密度聚乙烯塑料波紋管作為預(yù)應(yīng)力束管，群錨錨固，錨固張拉控制應(yīng)力為σcon=1395MPa。橫隔墻采用橫向預(yù)應(yīng)力體系，采用19-Φs 15.2、15-Φs 15.2兩種類型鋼絞線[1]。

圖1 箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：m)

2 箱梁裂縫情況

2.1 橋梁外觀檢查

本次檢查共計(jì)發(fā)現(xiàn)箱梁室外頂板存在37條裂縫，裂縫走向主要沿橋梁寬度方向分布，裂縫長(zhǎng)度在2.1m～21.5m之間，裂縫寬度在0.08mm～0.30mm之間；發(fā)現(xiàn)箱梁室內(nèi)頂板存在139條裂縫，裂縫走向主要沿橋梁寬度方向分布，其中有6條裂縫走向沿橋梁長(zhǎng)度方向分布，裂縫長(zhǎng)度在0.6m～3.4m之間，裂縫寬度在0.04mm～0.20mm之間；發(fā)現(xiàn)室外底板存在3條裂縫，裂縫走向沿橋梁寬度方向分布，裂縫長(zhǎng)度在0.9m～1.2m之間，裂縫寬度在0.10mm～0.14mm之間；發(fā)現(xiàn)箱梁室外腹板存在1處網(wǎng)狀裂縫，裂縫寬度在0.06～1.00mm5之間；發(fā)現(xiàn)箱梁翼板底面存在32條裂縫，裂縫走向主要沿橋梁寬度方向分布，裂縫長(zhǎng)度在0.8m～3.5m之間，裂縫寬度在0.06mm～0.18mm之間[2]。

2.2 裂縫深度

所抽檢的1 5條裂縫中，裂縫深度平均值介于34.5mm～165.2mm之間，最大裂縫深度代表值為169.4mm，最小裂縫深度代表值為36.0mm。

2.3 裂縫監(jiān)測(cè)

所抽檢的20條裂縫中，裂縫長(zhǎng)度變化范圍為0～60mm，裂縫寬度變化范圍為0.00～0.04mm。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，裂縫變化較小，整體發(fā)展趨于穩(wěn)定。

3 裂縫產(chǎn)生原因分析

本橋裂縫均在混凝土養(yǎng)護(hù)期產(chǎn)生，屬于非受力裂縫，非受力裂縫主要有：

3.1 溫度變化引起的裂縫

引起溫度變化的主要因素有：日照溫差、驟夜降溫、突降大雨、冷空氣侵襲；水化熱和養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)使混凝土內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。

3.2 混凝土收縮引起的裂縫

混凝土收縮引起的裂縫主要因素有：塑性收縮，發(fā)生在混凝土施工過(guò)程中，混凝土澆筑后4～5h內(nèi)，縮水收縮（干縮），因混凝土表層水分損失比內(nèi)部損失快，因此產(chǎn)生表面收縮和內(nèi)部收縮不一致的不均勻收縮，表面混凝土收縮變形受到內(nèi)部混凝土收縮慢的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土承受拉力超過(guò)本身抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫。

結(jié)合本項(xiàng)目情況及裂縫檢測(cè)結(jié)果，本橋頂板產(chǎn)生較多裂縫的主要原因?yàn)轫敯鍧仓箴B(yǎng)護(hù)期產(chǎn)生混凝土塑性收縮和縮水收縮?；炷翝仓?～5h內(nèi)，此時(shí)水泥水化反應(yīng)最激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土膠凝材料失水收縮，同時(shí)骨料因自重下沉，在骨料下沉過(guò)程中若受到鋼筋阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。同時(shí)，若養(yǎng)護(hù)措施未及時(shí)保水，混凝土表面與周邊空氣溫度差超過(guò)20°，未及時(shí)進(jìn)行薄膜覆蓋保溫，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土收縮慢的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土承受拉力超其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫。此時(shí)形成的裂縫與混凝土塑性收縮作用疊加導(dǎo)致裂縫深度和寬度不斷加大，最終形成現(xiàn)狀裂縫[3]。

4 裂縫對(duì)橋梁受力影響分析

受力驗(yàn)算采用某橋梁有限元分析軟件進(jìn)行分析，按空間桿系有限元法模擬施工階段及運(yùn)營(yíng)階段工況，計(jì)算各截面的內(nèi)力、應(yīng)力、變形等。

利用Midas有限元分析程序?qū)Ρ緲蛏喜拷Y(jié)構(gòu)建立空間桿系有限元模型，全橋共劃分單元277個(gè)，節(jié)點(diǎn)280個(gè)。有限元模型圖如圖2所示。

圖2 空間有限元模型

按照行業(yè)規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004），取171種荷載組合對(duì)橋梁進(jìn)行整體驗(yàn)算。其中短期效應(yīng)組合與長(zhǎng)期效應(yīng)組合均未考慮沖擊系數(shù)。

4.1 施工階段法向壓應(yīng)力驗(yàn)算

施工階段法向壓應(yīng)力驗(yàn)算按照行業(yè)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）的7.2.7、7.2.8條規(guī)定計(jì)算。因施工階段混凝土齡期較短，所以施工階段混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按f’ck=0.8fck=0.8×32.4=25.92MPa計(jì)，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按f’tk=0.8ftk=0.8×2.65=2.12MPa計(jì)。

裂縫按通透裂縫計(jì)算，頂板通透損傷后施工階段主梁最小應(yīng)力為-12.27MPa，最大應(yīng)力為-4.22MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且小于規(guī)范限值-18.144MPa。

4.2 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

4.2.1 極限承載力正截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)抗彎承載驗(yàn)算：按照行業(yè)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）中第5.2條規(guī)定進(jìn)行。

按頂板通透損傷驗(yàn)算截面的受力彎矩均小于截面極限承載彎矩。結(jié)構(gòu)受力處于安全狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4.2.2 極限承載力斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)抗剪承載驗(yàn)算：按照行業(yè)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）中第5.2條規(guī)定進(jìn)行。

按頂板通透損傷驗(yàn)算驗(yàn)算截面的所受剪力均小于截面極限承載剪力。結(jié)構(gòu)受力處于安全狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4.3 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

4.3.1 使用階段正截面抗裂驗(yàn)算。使用階段正截面抗裂驗(yàn)算按照行業(yè)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)的6.3.1條規(guī)定式6.3.1-2計(jì)算，計(jì)算式如下：

頂板通透損傷后結(jié)構(gòu)在短期組合包絡(luò)情況下主梁，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4.3.2 使用階段斜截面抗裂驗(yàn)算。按照行業(yè)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）中第6.3.1條第2項(xiàng)規(guī)定進(jìn)行。計(jì)算式如下：

頂板通透損傷后結(jié)構(gòu)在短期組合包絡(luò)情況下主梁，最大主拉應(yīng)力為0.70MPa，小于規(guī)范規(guī)定的1.06MPa，滿足規(guī)范要求。

4.4 使用階段截面壓應(yīng)力驗(yàn)算

4.4.1 正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算。正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算按照行業(yè)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）中第7.1.5條規(guī)定計(jì)算。計(jì)算公式如下：

頂板通透損傷后結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合包絡(luò)情況下主梁最大壓應(yīng)力為-16.74MPa，超過(guò)規(guī)范規(guī)定的-16.2MPa，因?yàn)閾p傷的4m范圍內(nèi)板厚在計(jì)算時(shí)并未參與受壓計(jì)算，而實(shí)際結(jié)構(gòu)此處混凝土應(yīng)參與受壓，所以計(jì)算的-16.74MPa結(jié)果偏大。

4.4.2 斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算。斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）中第7.1.6條規(guī)定計(jì)算。計(jì)算公式如下：

頂板通透損傷后結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合包絡(luò)情況下主梁，最大主壓應(yīng)力為-16.74MPa，小于規(guī)范規(guī)定的-19.44MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5 整體計(jì)算小結(jié)

頂板通透損傷后除正常使用狀態(tài)正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算不符合規(guī)范要求，其余指標(biāo)均符合規(guī)范要求，在標(biāo)準(zhǔn)組合包絡(luò)情況下主梁最大壓應(yīng)力為-16.74MPa，超過(guò)規(guī)范規(guī)定的-16.2MPa僅0.54MPa，超出容許值3.3%，此時(shí)損傷的4m范圍內(nèi)板厚在計(jì)算時(shí)并未參與受壓計(jì)算，而實(shí)際結(jié)構(gòu)中此處板厚仍參與結(jié)構(gòu)受壓，所以計(jì)算的-16.74MPa結(jié)果偏大。可認(rèn)為頂板結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)[4]。

5 結(jié)論和建議

通過(guò)計(jì)算分析，本次產(chǎn)生的裂縫對(duì)橋梁的整體受力雖有一定影響，但頂板結(jié)構(gòu)總體仍處于安全狀態(tài)。

后期應(yīng)對(duì)所有裂縫進(jìn)行專項(xiàng)修復(fù)，對(duì)細(xì)縫（＜0.15mm）應(yīng)進(jìn)行封閉，對(duì)寬縫（≥0.15mm）應(yīng)進(jìn)行壓力注膠，保證橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

在修補(bǔ)裂縫后，運(yùn)營(yíng)期加強(qiáng)橋梁定期檢測(cè)，重點(diǎn)普查箱梁頂板裂縫情況。選取頂板若干代表性裂縫對(duì)其長(zhǎng)度，寬度進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。