装配式小箱梁桥病害产生原因分析

2021-10-28吴佳佳秦磊慧

山西交通科技 2021年4期

吴佳佳，秦磊慧

（1.山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032；2.山西交通控股集团有限公司太原高速公路分公司，山西太原 030006）

1 概述

我国中小跨径桥梁众多，混凝土小箱梁桥是其主要组成部分。随着使用年限的增长，由于设计等级低、交通量增长等因素，我国早期建设的无横隔梁、少横隔梁的装配式梁桥，普遍存在混凝土结构开裂、混凝土剥落、破损等各种病害[1]，甚至出现承载能力低，不能满足公路交通需求下的桥梁运营安全，严重降低公路网的通畅性。该文基于桥梁病害统计分析了装配式小箱梁桥病害成因，为桥梁的维修养护提供指导。

2 依托工程概况

某高速公路特大桥梁，主线桥长2 611.6 m，由左右两幅组成，左右幅各19联，主要以25 m装配式预应力混凝土连续箱梁为主，间有15 m、20 m、26 m装配式预应力混凝土连续箱梁，共103孔。等宽度按半幅桥梁宽度为14.0 m，变宽段桥面最大桥梁宽度为25.73 m，等宽段桥梁由4片预制小箱梁构成，箱梁中心距3.5 m，横桥向通过湿接缝连接，其横断面如图1所示。下部结构为柱式墩、肋板式台，桥面铺装为9 cm沥青混凝土+5 cm混凝土调平层。

图1 跨中横断面图（单位：cm）

桥梁设计荷载为汽车-超20级，挂车120。

桥梁运营20余年，存在以下病害：

a）主梁底板横向裂缝共1 790道，总长1 766.17 m，裂缝最宽0.64 mm；主梁腹板竖向裂缝2 319道，总长1 978.5 m，裂缝最宽0.36 mm；腹板斜向裂缝485道，总长440.5 m，裂缝最宽0.86 mm；部分箱梁存在左右对称的竖向裂缝，个别竖向裂缝与底板横向裂缝贯通形成U形裂缝，且裂缝在持续扩展。

b）主梁底板纵向裂缝768道，总长3 401.40 m，裂缝最宽0.63 mm；主梁腹板纵向裂缝235道，总长467.59 m，裂缝最宽1.07 mm。

c）湿接缝共有裂缝409道，总长2 246.59 m，裂缝最宽0.41 mm。

d）横隔板共有裂缝648道，总长501.17 m，裂缝最宽0.83 mm。

e）上部结构混凝土缺陷44处，缺损面积9.23 m2，露筋72根，总长23.8 m，渗水泛碱97处，总面积66.13 m2。

f）全桥支座开裂472个，脱空24个，串位1个。

g）桥墩盖梁裂缝共322道，总长175.29 m，裂缝最宽1.8 mm；混凝土缺损6处，共4.49 m2，渗水、泛碱3处，总面积10.8 m2。

3 桥梁病害成因分析

a）箱梁底板裂缝和腹板竖向裂缝分布于326片主梁，将其汇总如表1。

表1 箱梁裂缝汇总

由表可知，约94.6%～96.4%的箱梁底板横向裂缝、腹板竖向裂缝分布于正弯矩为主的L/4～3L/4跨径范围内，表明上述裂缝主要是由正常使用极限状态的抗弯承载能力不足导致的，其中65.1%～77.6%的裂缝宽度小于0.1 mm。平均每片梁有1.9道/1.89 m底板横向裂缝宽度大于等于0.1 mm、3.6道/3.53 m裂缝宽度小于0.1 mm，表明桥梁在长期往复荷载作用下，形成了主裂缝，且伴随有新裂缝的萌生与扩展。进一步分析其原因，主要有3方面，一是该高速公路桥梁投入运营以来，公路交通流量大幅增长，且早期超载超限车辆较多，导致混凝土内部微裂缝开展，进而形成主梁底板横向裂缝和腹板竖向裂缝。二是桥梁设计标准低，将其横断面图与按文献[2]设计的标准图进行截面参数比较，如表2，可知，该桥梁抗弯刚度仅为标准图的0.77，相同荷载下，截面应力为标准图的1.29倍，因此在现行交通流量下，大大增加了桥梁开裂风险。三是桥梁主梁间距较大，且未设置跨中横隔板，横向整体性较差，超载重车作用下，主梁之间缺乏高效的横向传力构件，直接承受轮载作用的主梁所承担的荷载大于按单梁法计算所采用的荷载横向分布系数，超过箱梁正常使用极限状态的承载能力而出现底板横向裂缝；重车作用下各主梁所分担的荷载差值较大，导致主梁之间存在明显的相对位移和扭转，也是箱梁出现腹板竖向裂缝的原因之一。

表2 截面参数对比

b）箱梁底板与腹板纵向裂缝宽度均较大，最大裂缝宽度为0.63～1.07 mm，箱梁底板与腹板纵向裂缝分别有2 399.3 m/539道、395.4 m/197道裂缝宽度大于等于0.1 mm，占比达70.5%～84.6%。箱梁底板与腹板纵向裂缝总长之比为7.3，底板、腹板纵向裂缝平均长度为4.4 m、2.0 m。该类型裂缝的特征为：（a）纵向裂缝主要分布于箱梁底板，且裂缝长度较长；（b）裂缝宽度较大，宽度大于等于0.1 mm的裂缝是其主要组成部分。分析其原因，主要是由于预制箱梁尺寸较小，普通钢筋和预应力波纹管定位较为困难，施工难度大，混凝土保护层厚度不易保证，且桥梁建造年代装配式桥梁为新型桥梁结构，缺乏该类型桥梁建设和施工管理经验，施工质量不易保证；底板相对腹板预应力钢束数量较多，且箱梁纵向受弯时底板受拉，进一步削弱了底板混凝土横向抗拉强度，因此底板纵向裂缝较多。

c）湿接缝裂缝纵向裂缝占比为88%，其中87%裂缝宽度小于等于0.1 mm，裂缝平均长度约10 m。湿接缝是桥梁横向传力的主要构件，因此判断湿接缝裂缝为结构性裂缝，其产生原因主要是主梁间距较大，且该桥未设置横隔板，车辆轮载作用下湿接缝横向受弯，下缘拉应力超过混凝土抗拉强度时开裂，汽车荷载作用下，裂缝持续扩展。

d）横隔板裂缝与支座脱空等因素导致的各主梁支承反力不均匀密切相关，同时，施工质量控制不足也是该类型产生原因之一。

e）上部结构混凝土缺陷、露筋与模板安装、混凝土施工等有关，施工质量控制不足是该病害产生的主要原因。渗水泛碱主要是由于裂缝、泄水孔渗水导致的。

f）支座病害成因是多方面的。一是支座垫石或支座顶板高程施工控制不足，导致支座高程偏离箱梁底板所在平面；二是支座剪切变形属于正常情况，但剪切变形超限时应及时处置。支座剪切变形超限的原因主要有支座就位不当或支座质量缺陷。

g）桥墩盖梁裂缝与各主梁支承反力不均匀导致的盖梁弯矩、剪力超过设计值密切相关。