大跨徑橋梁連續箱梁腹板典型病害原因分析

王賢基

(廣東華路交通科技有限公司，廣東廣州 510800)

1 橋梁概況

ZQ大橋主橋是橫跨ZQ市西江河段的一座特大橋，設計荷載等級為汽車—超20級，掛車—120，雙向四車道，人群3.5 kN/m，主橋上部結構為86 m+4×136 m+86 m=716 m六孔預應力連續箱梁。于2001年8月建成通車。

橋型布置圖見圖1。

圖1 ZQ大橋橋型布置圖（單位：cm）

上部結構為三向預應力變截面連續箱梁結構。主要病害為箱梁腹板存在斜向裂縫，其中箱梁內開裂情況較箱梁外情況嚴重，箱梁內腹板裂縫最大寬度δ內=0.30 mm，箱梁外腹板裂縫最大寬度δ外=0.15 mm，腹板裂縫中間寬兩端窄，腹板裂縫見圖2。箱梁腹板斜向裂縫沿跨中左右兩側對稱分布，與水平夾角為15°～50°(見圖3)。

圖2 箱梁內腹板斜裂縫

圖3 箱梁腹板開裂區域示意圖

表1 專項檢測結果匯總

2 專項檢查結果及分析

橋梁專項檢測結果見表1。專項檢測結果表明:箱梁底板測區混凝土保護層厚度偏薄，對結構鋼筋耐久性有輕微影響。其余檢測項目評定標度值均為1，表明相應檢測項目情況良好。

3 靜載試驗

ZQ大橋主橋在各試驗工況下，結構關鍵截面的實測應變和變形均小于理論計算值，結構關鍵部位未發現新的裂縫，既有裂縫寬度變化不大，卸載后結構相對殘余變形均小于20%，具體見表2，試驗結果表明該橋滿足汽車超—20，掛車—120，人群荷載3.5 kN/m2設計荷載的要求。

表2 各工況試驗結果

4 動載試驗

本次固有頻率的識別采用由自譜分析得到，結構豎向一階頻率為0.609 4 Hz，而理論值為0.482 3Hz，實測值大于理論計算值，說明結構實際剛度大于理論剛度，滿足設計要求(見圖4)。

圖4 一階振型0.482 Hz

進一步將10 km/h，20 km/h，30 km/h跑車試驗得到時程曲線，進行自譜分析，其結果如圖5所示，結果表明結構豎向一階頻率為0.593 8 Hz，而理論值為0.482 3Hz，實測值大于理論計算值，說明結構實際剛度大于理論剛度。結構自振頻率實際值大于理論值，滿足相關規范的要求。

圖5 ZQ大橋脈動試驗頻譜曲線

5 橋梁結構承載能力評定

結構抗力和荷載效應修正系數及相關指標如下:承載能力惡化系數ξe取0.073;截面損傷折減系數ξc取0.98;鋼筋腐蝕的截面折減系數ξs取1.0;承載力檢算系數Z1取1.1;活載影響修正系數 ξq取 1.0。

荷載組合根據橋規(JTJ 021-89，JTJ 023-85)的規定，考慮到廣東地區溫度的實際情況，結合85規范溫度與實際溫度效應相差較大，本次檢算采用04規范溫度，即考慮截面溫度梯度影響，三種組合進行截面驗算為:

荷載組合Ⅰ:恒載+汽車—超20級;

荷載組合Ⅱ:恒載+汽車—超20級+溫度梯度(JTG D60-2004規范模式);

荷載組合Ⅲ:恒載+掛車—120。

本橋采用平面桿系有限元法建立了連續箱梁的二維有限元模型，全橋共有215個節點，214個單元，有限元模型見圖6。

圖6 主橋有限元模型圖

5.1 承載能力極限狀態下截面強度驗算

1)承載能力極限狀態抗彎驗算。

由計算可知，荷載組合Ⅱ為關鍵截面控制荷載組合。

全梁各主要驗算截面的強度系數均大于1，截面強度滿足要求。荷載組合Ⅱ作用下，全梁各主要驗算截面的強度系數均大于1，截面強度滿足要求(見表3)。各主要驗算截面中，最大正彎矩強度系數最小位于邊跨跨中截面，其值為2.08，最大負彎矩強度系數最小位于次邊墩墩頂截面處，其值為1.43。

表3 承載能力極限狀態下各截面抗彎強度驗算結果對照表

2)承載能力極限狀態抗剪驗算。

關鍵截面抗剪滿足要求(見表4)。

表4 斜截面抗剪強度驗算結果對照表

5.2 正常使用極限狀態下應力驗算

荷載組合Ⅱ作用下，墩頂底板最小壓應力為23.5 MPa，箱梁主孔(L=136 m)15號塊附近(箱梁腹板開裂區域)下緣正應力為-0.72 MPa，最大主拉應力為-0.91 MPa。箱梁出現主拉應力的區域，腹板也存在斜向裂縫，且主拉應力較大的地方，裂縫寬度也較大。

5.3 承載能力驗算主要情況

1)承載能力極限狀態，主橋各關鍵截面抗彎承載能力滿足規范要求。各關鍵截面抗剪承載能力滿足規范要求，但富余不多。2)正常使用極限狀態。荷載組合Ⅱ作用下，箱梁主孔(L=136 m)15號塊附近(箱梁腹板開裂區域)下緣正應力為-0.72 MPa，最大主拉應力為-0.90 MPa。

6 病害原因分析

1)主橋連續箱梁主要病害為箱梁1/4L～1/2L跨區域的13號～17號塊之間腹板存在斜向開裂，箱梁腹板裂縫區域見圖4，箱梁內裂縫較箱梁外的裂縫寬，箱梁內最大裂縫寬度 δ=0.30 mm，裂縫寬度6 cm～10 cm，為結構的受力裂縫。

2)經建模計算分析，荷載組合Ⅱ作用下，箱梁主孔(L=136 m)15號塊附近(箱梁腹板開裂區域)最大主拉應力為-0.91 MPa。經過現場檢測結果及建模計算分析情況來看，主橋13號～17號塊之間腹板出現主拉應力的區域，腹板也存在斜向裂縫，且主拉應力較大的地方，裂縫寬度也較大，表明箱梁腹板裂縫為受力裂縫，箱梁病害出現與主拉應力有關。

3)本橋采用三向預應力體系，而采用豎向預應力體系提供抗剪強度，截面剪力由混凝土、箍筋和豎向預應力筋共同承擔。一般來說，施工時結構腹板尺寸和箍筋配筋率較易滿足設計要求，而豎向預應力則往往不能達到設計要求，一方面由于本橋主跨跨徑為136 m，跨中區域豎向力筋較短，自身損失大，另一方面則是由于構造及施工的原因，豎向預應力的張拉效果不理想，永存豎向預應力會低于設計要求。

4)結構開裂后，應力重分布及箱梁底面開裂后截面剛度變小，會使得病害發展。

a.ZQ大橋主橋在各試驗工況下，結構關鍵截面的實測應變和變形均小于理論計算值，關鍵部位未發現新的裂縫，既有裂縫寬度變化不大，卸載后結構相對殘余變形均小于20%，試驗結果表明該橋滿足設計荷載的要求。

b.主橋各關鍵截面抗彎極限承載能力滿足規范要求，關鍵截面抗剪極限承載能力滿足規范要求，最大剪力截面安全系數為1.07，富余不多。正常使用狀態組合Ⅱ下，下緣最大主拉應力為-0.9 MPa。

7 結語

全面檢測評定了該類型橋梁病害產生的原因，為同類型箱梁結構的病害原因分析積累了經驗，并且為橋梁的承載能力評定提供參考。