装配式箱梁桥跨中横向裂缝成因分析及加固措施

2020-12-01韦武朗

运输经理世界 2020年4期

文∕韦武朗

1 前言

近年来，PC 桥因其造型美观、结构紧凑、整体性、连续性好、施工技术成熟、设计理论成熟等优点得到了广泛的应用。桥梁主要采用箱形截面，具有较大的抗弯刚度、抗扭刚度和较低的梁高，预应力混凝土箱梁桥有现浇、悬臂浇筑、预制、顶推等多种施工方法。PC 箱梁桥接缝少，行车舒适，维修方便。但目前暴露出的问题较多，最常见的是在施工和运营过程中，屋面、楼板、腹板、横隔板、齿轮箱等部位出现不同程度的裂缝，从而危害桥梁的正常使用。因此，全面分析PC 桥箱梁裂缝的主要原因，并提出相应的解决建议具有重要意义。

2 裂缝现状及原因分析

2.1 裂缝现状

本文以融水至河池高速公路工程中某小型装配式箱梁桥为研究对象，对其质量进行监督管理，着重对桥梁裂缝进行统计分析。桥梁上部结构的1～7、9～16 联轴节采用简支预应力混凝土连续组合箱梁。桥梁高1.6m，顶板厚18cm，腹板厚度由支架附近25cm 逐渐变为中跨18cm，底板厚度由支架附近25cm 逐渐变为中跨18cm。下部结构桥墩采用矩形桥墩和灌注桩基础。桥梁剖面图见图1，桥梁标准横断面布置图见图2。

图1 桥梁第16 断面（单位：cm）

图2 桥梁标准横断面(单位：厘米)

2014年2月，首次发现小箱梁在跨中附近楼板出现横向裂缝，腹板出现竖向裂缝。2015年6月，箱梁开裂数量呈增长趋势。2015年8-12月，对开裂的箱梁进行体外预应力加固。2016年和2017年，发现无筋小箱梁继续开裂。箱梁开裂统计见表1。典型断裂示意图如图3所示。

图3 典型断裂示意图

表1 箱梁裂纹统计

从开裂情况看，其特点如下：

（1）横向每四片箱梁，中间梁或边梁出现横向裂缝，且无一定规律性，新裂缝多分布在跨中。

（2）裂缝以腹部垂直、地板横向为主，有的呈“U”形或“L”形，裂缝宽度小于0.15mm。

（3）组合箱梁底板横向裂缝和腹板竖向裂缝深度较浅，在保护层直至钢筋表面端部出现裂缝。

（4）开裂梁略向下，未开裂梁有一定的上拱。

2.2 裂纹状态监测

监测桥梁裂缝状态的系统能够实现实时测量和数据的自动无线传输。本文的技术方法是能够自动测量大量的开口宽度裂缝，这在监测到的裂缝位于难以到达的地方的情况下尤为重要。所述监控系统包括一个或多个运动传感器和记录装置，可使用计算机或便携式笔记本电脑进行记录。

传感器安装在适当地检查点上，这些检查点可以位于桥梁结构的不同部分，也可以安装在该区域的不同桥梁工程上，以及连接到记录装置的无线电接收器模块通过无线电与作为传感器的一部分的每个发射无线电模块进行通信。传感器中所有模块的电源电压由独立的化学电源产生；因此，无需将电源线连接到传感器上。

整个测量周期完成一次，然后传感器再次进入“休眠”模式。整个测量周期进行的时间不超过1 秒。因此，实现了显著的节能效果；化学电源的供电电压可以持续很长一段时间（以年为单位）。

传感器技术规格：

①测量精度为0.01mm；

②测量范围取决于千分表为10、25 和50mm。

当需要监测结构不同部分的多个裂缝时，需要根据监测点的数量使用多个传感器。在这种情况下，无线电接收器模块依次与构成每个传感器一部分的无线电发射器模块通信。每一个都有自己的号码，并通过无线电将信息传送到记录装置。

在将传感器安装在待监测裂缝上之前，必须对装置进行校准。为此，传感器外壳有一个专门内置的千分表。将微控制器切换到“校准”模式时，传感器始终处于工作状态，并且读数不是每天只读取一次，而是在记录单元的每次请求下读取。当伸缩杆设置为移动时，指示器以0.01mm 的精度定义该移动，用户可以从指示器和记录设备上直观地读取读数。在伸缩杆的整个移动范围内进行校准，根据传感器读数绘制校准图，以反映微控制器读数对应于裂纹的扩展程度。稍后将需要此图来解释从传感器接收到的读数。此外，用户可以定期通过千分表直观地监视传感器读数，并确保其正常。

在设施上获得的数据将自动输入数据处理中心以供进一步分析。从而实现了对大量裂纹和接头间隙的自动测量。

2.3 结构计算结果

（1）原设计极限承载力状态满足规范要求。在正常使用情况下，边梁的正拉应力和正应力均满足《预应力甲级构件规范》的要求，但跨中安全储备较少。

（2）根据试验结果，边梁与中梁最不利组合情况下梁体各关键截面的正拉应力见表2。

由试验结果计算可知，在正常使用极限状态下，边梁中跨下缘和中梁中跨最大法向拉应力分别为2.82MPa 和3.08MPa，均超过规范规定的预应力甲级构件极限值2.7MPa。

表2 基于试验结果的边梁法向拉应力

2.4 加固前静载试验结果

静载试验结果表明：

（1）在相应工况的试验荷载下，53 跨（边跨）中跨段各测点和52 跨（中跨）中跨段大部分测点的应变和挠度校核系数均大于1，不符合规范要求。

（2）在各工况试验荷载下，各试验段各测点的相对残余应变和挠度值均小于20%。目前，试验段基本处于弹性工作状态。

2.5 实际运行负荷调查

根据2015年6月1日至2016年5月31日的车辆交通调查，共清点出入口6 个，发现100 吨以上车辆40 辆，其中最重车辆114.32 吨。

基于以上分析，本桥小预应力箱梁跨中区域横向裂缝的主要原因是预应力梁分布少、交通量增加、桥上超重车辆较多的小预应力箱梁。

3 维修加固

3.1 钢筋

原小箱梁结构采用体外预应力加固，中间跨仅张拉体外预应力。中跨每根箱梁采用两根3φs15.2 钢索，张拉控制应力为0.65×1860＝1209MPa。体外预应力钢梁的纵、横截面布置如图4、5 所示。

图4 预应力钢梁纵向布置

图5 预应力钢梁截面布置

3.2 加固效果分析

原设计加固的主梁关键截面拉应力对比、检测结果及推荐方案见表3。

表3 主梁关键截面拉应力对比表

由表3 可知，根据试验结果，边梁中跨拉应力和中梁中跨拉应力分别计算为2.82MPa 和3.08MPa。加固后两截面的拉应力分别为0.95MPa 和1.18MPa，边梁跨中拉应力接近原设计值，加固效果较为理想。

4 加固后效果监测评价

（1）对于体外预应力加固的桥梁，监测点在工作荷载作用下的预警水平是安全的。连续两年同月挠度数据基本相同，挠度测点日均变化较小，如图6 所示。

图6 体外预应力桥梁跨中日平均挠度时间曲线

（2）对于裂缝且仅封闭处理的桥梁跨度，监测点在运营荷载作用下的预警水平具有较高的风险性。连续两年同月跨桥挠度数据有增大趋势，梁体向下。同时，在桥梁跨中区域产生新的结构裂缝，如图7 所示。监测结果表明，体外预应力加固后的小箱梁未发现新的裂缝，桥梁在运营荷载作用下处于安全状态，说明加固措施是切实有效的。