三跨预应力混凝土连续箱梁梁端底板斜向裂缝评估

张勇夫

(1．中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉430034;2．桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉430034)

三跨预应力混凝土连续箱梁梁端底板斜向裂缝评估

张勇夫1，2

(1．中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉430034;2．桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉430034)

一城市高架桥梁端底板存在斜向裂缝，与常见裂缝形态、裂缝走向和分布位置不同。对这种裂缝产生的原因及处置措施尚无工程案例可供参考。为研究裂缝产生的原因及对桥梁结构整体受力产生的影响，通过对梁端预应力张拉过程进行计算模拟，分析预应力张拉过程中梁端应力变化，并通过荷载试验对结构受力性能进行验证。分析结果表明，梁端底板斜向裂缝由预应力张拉过程中应力变化所致，裂缝对结构整体受力影响较小，为非结构裂缝。

预应力混凝土连续箱梁;斜向裂缝;荷载试验;结构评估;受力性能

昆明市呈贡区呈黄立交桥位于呈黄公路与昆洛路交叉口，由上、下2层高架桥组成。上层高架桥跨径组合为［4×23+4×23+3×24+(31.5+35.5+42+ 35.5+31.5)+(22.5+3×23)+4×23+4×23］m，全桥共7联，其中第4联为(31.5+35.5+42+35.5+ 31.5)m预应力钢筋混凝土连续箱梁(单箱三室截面，梁高2.0 m)，其余各联均为预应力钢筋混凝土空心板梁(梁高0.9 m，板宽1.0 m)。下部结构为双柱式桥墩，梁端设预应力墩柱式盖梁，连续梁中间墩为双柱式桥墩，不设盖梁;桥面宽18.0 m，双向4车道，桥面设中央隔离带，桥面铺装采用60 mm沥青混凝土+防水层+80 mm混凝土，160型伸缩缝;支座采用盆式橡胶支座。

桥梁主要设计技术标准:①设计荷载，公路一级;②抗震标准，地震基本烈度8度，重要修正系数1.3。

梁体横断面布置示意如图1。

图1 梁体横断面示意(单位:cm)

1 病害状况

由于设计、施工、养护管理等方面的原因，在工程实际中梁体常出现了多种不同性质的裂缝，破坏了桥梁的美观，也影响了桥梁结构的安全性和耐久性［1］。

常见预应力混凝土连续箱梁裂缝按其形态可以分为纵向裂缝、横向裂缝和斜向裂缝。按照裂缝产生的位置不同，可以分为顶板裂缝、腹板裂缝、底板裂缝、横隔板裂缝、齿板锚固区裂缝。底板裂缝又可分为横向裂缝、纵向裂缝和斜向裂缝。

该桥在结构定期检测过程中发现连续梁2边跨(第12跨和第16跨)梁端底板及腹板9 m范围内存在斜向开裂现象，裂缝最大宽度为0.25 mm。梁体裂缝分布见图2。

图2 梁体裂缝分布(裂缝宽度单位:mm;尺寸单位:cm)

从图2中可以看出梁端裂缝形态大部分为斜向裂缝，且分布在底板两侧，部分裂缝有向腹板延伸的趋势。裂缝最大长度3.5 m，最大宽度0.25 mm。

2 桥梁受力状态验算及裂缝成因初步分析

根据图纸资料，通过有限元分析软件Midas/Civil 2015对该桥建立有限元模型，依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)［2-3］进行验算，相关材料参数见表1;正常使用极限状态荷载组合下梁体弯矩见图3;恒载作用下梁体截面下缘主拉应力见图4。

表1 有限元模型材料参数

图3 正常使用极限状态荷载组合下梁体弯矩(单位:kN·m)

图4 恒载作用下截面下缘主拉应力(单位:Pa)

根据设计规范，正截面强度应符合下式:

式中:Md为作用效应;r0为结构重要性系数;Mu为结构抗力。

由材料截面参数可算出梁体截面抗力为2.36× 105kN·m，截面抗弯承载力满足要求。

由于该桥缺少相关施工资料，故按照连续箱梁一般张拉顺序:先张拉长束，后张拉短束。参考图纸中预应力束布置情况，将预应力束张拉分为4个工况，分别对应距梁端0，2，3.8，9.5 m处的预应力束，在预应力张拉过程中，通过采集梁端10 m范围内梁体截面下缘的应力变化，推断梁端底板混凝土开裂原因。各级预应力分段张拉过程中，梁端10 m范围内梁体截面底缘应力变化曲线见图5。

图5 梁体截面底缘应力变化曲线

由图5可知，在9.5 m处预应力张拉过程中，梁体截面底缘8～10 m应力变化较大。可推测梁体底板裂缝是由于预应力分段张拉过程中，锚后混凝土应力变化过大所致，特别是9.5 m处预应力张拉过程中，梁端8 m范围内锚后混凝土应力变化较大。

3 基于静载试验的病害状态评估

为了分析判断该桥梁端底板斜向裂缝是否为结构性受力裂缝，以及对该桥结构后期安全运营是否存在影响，故对该桥梁端斜向裂缝进行荷载试验分析［4-5］。根据裂缝走向，选取4条较长裂缝，布置裂缝测点，测点布置见图6。

图6 裂缝测点布置(裂缝宽度单位:mm;尺寸单位:cm)

通过2辆35t渣土车对大里程侧梁端进行加载，加载时车尾相对，加载车尽量靠近外侧防撞墙，进行偏载加载。加载轮位从梁端开始，每间距1 m进行1次加载读数。

现场测试数据表明，在各级加载状态下，各测点应变变化值普遍偏小。应变最大值为93×10－6，位于图6中R6点，可得试验荷载下裂缝扩展量约为0.01 mm，裂缝扩展量非常小，换算成钢筋应力约18.6 MPa，可见钢筋的活载作用下应力幅值较小，钢筋不存在疲劳断裂的可能。其余各测点应变值均小于70×10－6，各测点的应变残余值均较小，说明截面变形处于弹性工作状态。另外，本次试验在裂缝末端布置的L1，L8，L9，R1，R9测点的应变值均较小或呈受压状态，说明裂缝在试验荷载作用下未见明显延伸的现象。

推断该桥梁体底板斜向裂缝为施工阶段预应力张拉过程中梁体自身应力变化所致，为非结构裂缝，对结构承载力的影响不大，可从结构耐久性方面对其进行修复处理。

4 处理措施

通过分析该桥受力状态可知，该桥梁端底板斜向裂缝对结构整体受力影响较小，但考虑到梁体裂缝对桥梁耐久性有影响，长期作用可能引起梁体钢筋锈蚀。建议对裂缝宽度＜0.2 mm的裂缝进行表面封闭修补，可采用抹浆、凿槽嵌补、喷浆、填缝的方法使表面裂缝封闭。裂缝宽度＞0.2 mm的裂缝进行压力灌浆修补，可采用水泥灌浆或化学材料灌浆的方法，将浆液灌满结构内部裂缝，也可通过粘贴钢板加固法或粘贴碳纤维布法进行适当的补强［6-10］。

5 结语

本文对预应力混凝土连续箱梁常见裂缝病害进行了梳理总结，通过工程实例中出现的梁端底板斜向裂缝这一少见裂缝病害，对该桥进行受力状态验算分析和静载试验评估，得出该桥梁端底板斜向裂缝形成的初步原因为预应力张拉过程中锚后应力变化所致，该处裂缝对桥梁结构整体受力影响较小。

［1］钟鸣．预应力混凝土连续箱梁桥裂缝研究［D］．成都:西南交通大学，2008．

［2］中华人民共和国交通运输部．JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范［S］．北京:人民交通出版社，2015．

［3］中华人民共和国交通运输部．JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［4］中华人民共和国交通运输部．JTG/T J21—2011公路桥梁承载能力检测评定规程［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［5］黄晶．大跨径预应力连续梁桥裂缝机理与对策研究［D］．武汉:武汉理工大学，2009．

［6］兰衍亮．预应力混凝土连续箱梁桥腹板斜裂缝分析及加固研究［D］．广州:华南理工大学，2010．

［7］刘冬平．预应力混凝土连续箱梁桥加固研究［D］．合肥:合肥理工大学，2009．

［8］冯海龙，高岩，胡强．预应力混凝土连续箱梁病害评估及成因分析［J］．铁道建筑，2015(11):21-23．

［9］李江山．预应力连续梁设计应注意的问题［J］．公路，2002 (2):4-7．

［10］浙江省交通厅公路管理局．预应力混凝土箱梁连续梁桥裂缝调查分析及防治研究报告［R］．杭州:浙江省交通厅公路管理局，2000．

Evaluation of Oblique Cracks in Bottom End of Three-span Prestressed Concrete Continuous Box Girder

ZHANG Yongfu1，2
(1．China Railway Bridge Science Research Institute Limited，Wuhan Hubei 430034，China;2．State Key Laboratory of Bridge Structure Health and Safety，Wuhan Hubei 430034，China)

Oblique cracks were found in bottom end of the urban viaduct，which were different from the common crack form，direction and distribution．T he causes and treatment measures of the cracks were not available for reference．In order to study the cause of crack and its influence on the force of bridge structure，the prestressing process of the girder was simulated to analysis the variation of stress．T he mechanical properties of the structure was verified by loading test．Analysis results show that the oblique crack caused by the variation of stress in the prestressing process．T he crack has little influence on the structure of the structure，which it is not structural crack．

Prestressed concrete continuous box girder;Oblique crack;Load test;Structural assessment;M echanical property

U445．71

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．07

1003-1995(2016)12-0024-03

(责任审编郑冰)

2016-06-02;

2016-11-01

张勇夫(1990—)，男，硕士。