預(yù)應(yīng)力混凝土T梁腹板豎向開裂原因分析與處治

摘要 預(yù)應(yīng)力混凝土T梁豎向開裂原因較為復(fù)雜，和T梁開裂時間、有效預(yù)應(yīng)力大小及對橋梁承載能力影響等有關(guān)。該文通過對石鎖高速公路K103+069右幅橋梁2-3#梁進行外觀檢測、裂縫發(fā)展趨勢分析、結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)測量、鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測及成橋橋梁荷載試驗分析，得出T梁有效預(yù)應(yīng)力不足為T梁腹板豎向開裂的主要原因，預(yù)應(yīng)力不足將進一步導(dǎo)致T梁下?lián)希拱彘_裂，同時腹板豎向裂縫對橋梁承載能力有一定影響。為保證橋梁耐久性及承載能力滿足設(shè)計要求，需要對開裂裂縫進行封閉處治后再對開裂梁板進行體外預(yù)應(yīng)力加固補強。

關(guān)鍵詞 T梁；豎向裂縫；有效預(yù)應(yīng)力；結(jié)構(gòu)加固

中圖分類號 U446.1 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）14-0089-03

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁豎向開裂原因較為復(fù)雜，諸多學(xué)者對其進行過相應(yīng)研究。其中，許鵬等[1]研究比較實測有效預(yù)應(yīng)力和理論有效預(yù)應(yīng)力差值，分析了預(yù)應(yīng)力損失對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，最后針對預(yù)應(yīng)力損失量按結(jié)構(gòu)的3種設(shè)計狀態(tài)，計算找出體外預(yù)應(yīng)力加固補強值，并對加固方法進行比較，選擇合理處治方案。張國輝等[2]以標(biāo)準(zhǔn)跨徑30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的腹板豎向開裂病害為研究對象，分析了裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土T梁截面不均勻收縮、結(jié)構(gòu)整體降溫、預(yù)應(yīng)力損失和結(jié)構(gòu)多余約束等不利因素的綜合作用。周靜雯[3]的研究結(jié)果表明：由于T梁各部位體表比不同，導(dǎo)致T梁截面產(chǎn)生不均勻收縮應(yīng)力，腹板較薄，呈受拉狀態(tài)，而翼緣板與馬蹄呈受壓狀態(tài)，橋面鋪裝和普通鋼筋對截面不均勻收縮效應(yīng)有顯著影響，該效應(yīng)使T梁腹板內(nèi)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，對T梁腹板開裂有重要的影響。旬小虎[4]通過荷載試驗有效檢測裂縫對結(jié)構(gòu)受力的響應(yīng)情況及橋梁的安全性。

該文以石鎖高速公路K103+069某3×30 m+4×30 m的先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋為例，通過對T梁裂縫開裂情況進行統(tǒng)計，對裂縫發(fā)展趨勢、結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)、鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力及荷載試驗等內(nèi)容進行檢測，提出T梁開裂原因及處治措施[5]。

1 工程概況

石鎖高速公路K103+069右幅橋梁為3×30 m+4×30 m的先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，上部結(jié)構(gòu)T梁按照預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計，橋梁于2012年完成交工檢測，交工檢測未發(fā)現(xiàn)梁板開裂，2014年竣工檢測發(fā)現(xiàn)2-3#T梁腹板出現(xiàn)8條對稱的豎向裂縫。

1.1 腹板開裂情況

2-3#T梁距B端8.9 m、10.4 m、12.3 m、13.9 m、14.5 m、17.4 m、19.4 m、22.1 m處，腹板兩側(cè)各有8條對稱豎向裂縫，部分裂縫向馬蹄斜面及側(cè)面延伸5～50 cm，長度L=146～218 cm，最大寬度δmax=0.18 mm。另外，距B端16.5 m處右側(cè)腹板有1條斜向裂縫，向馬蹄斜面及側(cè)面延伸33 cm，長度L=165 cm，最大寬度δmax=0.15 mm。裂縫詳細情況如表1所示。

1.2 檢測評估內(nèi)容

1.2.1 裂縫發(fā)展趨勢分析

對2012年交工驗收質(zhì)量檢測腹板裂縫開裂情況與2014年8月竣工驗收質(zhì)量檢測腹板裂縫開裂情況做比較，分析在兩年的試運營過程中，裂縫的發(fā)展趨勢及規(guī)律，為裂縫的成因分析提供依據(jù)。

1.2.2 結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)測量

在腹板開裂梁板2-3#梁的梁底粘貼反光片，采用全站儀測量梁底標(biāo)高，通過實測梁底線形與設(shè)計線形比較，分析T梁實測反拱與設(shè)計反拱的差值，為開裂原因提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2.3 鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測

采用現(xiàn)場恒載應(yīng)力測定技術(shù)，測試2-3#梁實測有效預(yù)應(yīng)力，為裂縫開裂原因提供參考，同時為后期梁板處治提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2.4 荷載試驗檢測

該工程選取了K103+069橋右幅第一聯(lián)的上部結(jié)構(gòu)進行荷載試驗，通過荷載試驗，判斷開裂裂縫對橋梁承載能力的影響。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土腹板開裂T梁檢測評估結(jié)果

2.1 裂縫發(fā)展趨勢檢測分析結(jié)果

T梁裂縫的成因是多種因素綜合作用下的結(jié)果，T梁裂縫的存在會對截面的剛度產(chǎn)生一定影響，且會降低結(jié)構(gòu)的耐久性。但尤須關(guān)注的是裂縫是否處于發(fā)展階段，若裂縫處于發(fā)展階段，不加以處治則會導(dǎo)致橫截面有效面積減少，裂縫區(qū)域混凝土不參與抗拉、抗剪，影響承載能力，在車輛荷載等作用下裂縫加劇發(fā)展，底面貫通后造成截面中心軸上移，結(jié)構(gòu)承載能力進一步減小，循環(huán)往復(fù)，將存在嚴重安全隱患。裂縫開裂時間如表2所示。

通過比較2012年及2014年檢測結(jié)果可知：2-3#梁腹板的8條豎向?qū)ΨQ裂縫均產(chǎn)生于兩年試運營通車過程中。

2.2 T梁幾何形態(tài)參數(shù)測定結(jié)果

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁在預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、二期恒載等因素作用下，T梁仍具有一定上撓的反拱值。實踐經(jīng)驗證明，實測反拱值小于理論反拱值，但實測值正常應(yīng)為上撓，而非下?lián)稀崪y梁底線形處于上拱/下?lián)蠣顩r能基本反映T梁張拉預(yù)應(yīng)力是否滿足設(shè)計要求的情況，也能進一步佐證梁體有無結(jié)構(gòu)性裂縫或結(jié)構(gòu)性裂縫嚴重與否。

2-3#T梁腹板豎向開裂，實測T梁下?lián)希c設(shè)計的理論值不一致，表明預(yù)應(yīng)力張拉不足。

2.3 鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力檢測結(jié)果

在K103+069（右幅）橋上選擇兩個測點進行鋼絞線預(yù)應(yīng)力檢測，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力檢測結(jié)果匯總于表3。其中理論計算初始張拉應(yīng)力根據(jù)設(shè)計取為1 395 MPa，且考慮成橋后2年的徐變效應(yīng)對預(yù)應(yīng)力損失的影響。

K103+069（右幅）橋有效預(yù)應(yīng)力檢測結(jié)果見表3，由表3可知：抽檢的1片T梁中所測鋼絞線恒載有效預(yù)應(yīng)力實測值均不滿足原設(shè)計值，梁底拉應(yīng)力超限，梁體也發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性裂縫，且裂縫條數(shù)較多，長度較長，寬度超限。

3 橋梁荷載試驗結(jié)果

3.1 靜載試驗結(jié)果

（1）結(jié)構(gòu)剛度

試驗荷載作用下，各控制截面大多數(shù)測點的實測撓度值小于計算值，撓度校驗系數(shù)介于0.62～1.09之間，處于《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》（YC4—4/1978）規(guī)定的常值范圍（0.60～1.10），但和同類橋形相比，撓度校驗系數(shù)較同類橋形偏大。第1跨最大實測撓度增量為1.98 mm，為第1跨計算跨徑的1/10 000，第2跨最大實測撓度增量為1.76 mm，為第2跨計算跨徑的9/100 000，各加載工況卸載后，大多數(shù)控制測點的實測相對殘余變形小于檢測規(guī)范限值（20%），個別的最大實測相對殘余變形超過規(guī)范限制，最大實測相對殘余變形為20.47%。

靜載試驗結(jié)果表明，試驗橋跨結(jié)構(gòu)剛度基本滿足設(shè)計要求，但和同類橋形相比，校驗系數(shù)略微偏大，說明腹板豎向裂縫對橋梁承載能力有一定影響。

（2）結(jié)構(gòu)強度

試驗荷載作用下，控制截面的實測應(yīng)力總體正常，應(yīng)力校驗系數(shù)處于0.42～1.07之間，和《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》（YC4—4/1978）規(guī)定的常值范圍（0.60～1.10）接近，但和同類橋形相比，應(yīng)力校驗系數(shù)較同類橋形偏大。最大實測混凝土拉應(yīng)力增量為4.55 MPa。

上述截面的結(jié)構(gòu)受力基本正常，結(jié)構(gòu)強度基本滿足設(shè)計荷載要求，但和同類橋形相比，應(yīng)變校驗系數(shù)略微偏大，說明腹板豎向裂縫對橋梁承載能力有一定影響。

3.2 動載試驗結(jié)果

（1）自振特性理論計算及實測結(jié)果

采用有限元模型計算結(jié)構(gòu)自振特性，橋跨結(jié)構(gòu)前三階豎向彎曲理論頻率分別為3.8 Hz、5.0 Hz和7.2 Hz。通過對脈動信號的頻譜分析得到結(jié)構(gòu)的實測自振頻率，實測前三階自振頻率分別為4.7 Hz、5.5 Hz和7.2 Hz。

橋跨結(jié)構(gòu)的實測頻率均略高于理論計算頻率，橋梁的剛度基本滿足設(shè)計要求。

（2）行車動力響應(yīng)

在橋面無障礙情況下，采用1臺載重車居中勻速通過橋梁，車速為30 km/h、40 km/h、50 km/h。

單車30 km/h、40 km/h、50 km/h行車試驗下，中跨跨中截面的實測應(yīng)變增大系數(shù)為1.14，較設(shè)計規(guī)范取值（1＋μ＝1.26）偏小，行車動力響應(yīng)正常。

4 T梁評估結(jié)論與原因分析

4.1 檢測評估結(jié)論

（1）裂縫發(fā)展趨勢分析表明：腹板存在的豎向裂縫為通車兩年試運營過程中產(chǎn)生。

（2）由T梁梁底線形結(jié)果分析可知：實測T梁下?lián)吓cT梁腹板豎向開裂具有一致性。

（3）有效預(yù)應(yīng)力檢測結(jié)果表明：存在腹板豎向裂縫的T梁預(yù)應(yīng)力有較大損失，不滿足A類構(gòu)件設(shè)計要求，梁底拉應(yīng)力超過規(guī)范限值，K103+069（右幅）的2-3#梁與設(shè)計理論值相比偏小33.53%。

（4）橋梁荷載試驗結(jié)果表明：石林至鎖龍寺高速公路K103+069右幅橋試驗橋跨結(jié)構(gòu)承載力基本滿足設(shè)計荷載的要求，但和同類橋形相比，腹板豎向裂縫對承載能力有一定影響。

4.2 裂縫成因分析

結(jié)合病害橋梁的裂縫形態(tài)、分布、T梁梁底下?lián)稀摻g線有效預(yù)應(yīng)力測試及橋梁荷載試驗結(jié)果，分析梁體裂縫主要成因如下：

抽檢T梁鋼絞線恒載有效預(yù)應(yīng)力實測值小于A類構(gòu)件限值，K103+069（右幅）的2-3#梁與設(shè)計理論值相比偏小33.53%，梁底拉應(yīng)力超限，在運營荷載作用下梁體開裂。

4.3 T梁裂縫處治措施

（1）從荷載試驗的結(jié)果看，裂縫對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的承載能力有一定影響，同時梁體出現(xiàn)裂縫已經(jīng)不能滿足A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的要求，且部分裂縫長且寬。從耐久性角度出發(fā)，需要對梁體裂縫進行處理：裂縫寬度lt;0.15 mm，采用環(huán)氧樹脂膠泥進行封閉；裂縫寬度≥0.15 mm，采用低壓注射環(huán)氧樹脂膠進行修補，并對處治后的裂縫加強觀測。

（2）從裂縫開裂時間、梁底線形及有效預(yù)應(yīng)力檢測結(jié)果來看，預(yù)應(yīng)力混凝土T梁有效預(yù)應(yīng)力損失較大，故對腹板開裂的梁體采取體外預(yù)應(yīng)力進行加固補強，抑制裂縫的進一步發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)的承載力及抗裂能力，使梁體保持在A類構(gòu)件的設(shè)計水平。

5 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁腹板豎向開裂原因和T梁開裂時間、裂縫發(fā)展趨勢及鋼絞線實測有效預(yù)應(yīng)力值等有關(guān)，其主要原因為實測T梁有效預(yù)應(yīng)力不足，進而導(dǎo)致T梁下?lián)希拱彘_裂，同時腹板豎向裂縫對橋梁承載能力有一定影響。為保證橋梁耐久性及承載能力滿足設(shè)計要求，需要對開裂裂縫進行封閉處治后再對開裂梁板進行體外預(yù)應(yīng)力加固補強。

參考文獻

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收稿日期：2024-01-09

作者簡介：許鵬（1988—），男，碩士研究生，高級工程師，研究方向：橋梁檢測、施工監(jiān)控及加固設(shè)計。

基金項目：云南省交通運輸廳科技項目“基于微孔應(yīng)力釋放法的 PC 橋梁鋼束有效預(yù)應(yīng)力檢測技術(shù)研究”[云交科教便（2020）91]。