空心板橋橫向裂縫病害分析及加固方案探討

王金暖

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 橋梁概況及主要病害

某高速公路橋梁，上部結構為先簡支后結構連續預應力混凝土空心板，橋梁與河道中心線斜交15°。橋梁總長120.0m，跨徑組合為4×20.0m。橋面總寬為26.0m，橋寬布置為0.5m防撞護欄+11.5m車行道+0.75m波形護欄+0.5m中央分隔帶+0.75m波形護欄+11.5m車行道+0.5m防撞護欄。

該橋分為左、右兩幅，上部結構每幅每跨均由8片預應力混凝土空心板組成，先簡支后結構連續，設置板式橡膠支座。下部結構采用重力式U型橋臺，樁柱式橋墩，墩臺基礎均采用擴大基礎。橋面采用瀝青混凝土鋪裝面層，兩端橋臺位置設有伸縮縫。

在年度橋梁定期檢測時，發現本橋裂縫較多、較寬，裂縫橫向貫穿梁底并沿腹板向上延伸，為保證橋梁運營安全，對本橋進行了專項檢測，檢測結果顯示本橋的主要病害為橫向裂縫，詳見表1。

表1 主要橫向裂縫一覽表

此橋裂縫已不滿足《公路橋涵養護規范》(JTG H11-2004)所規定的預應力混凝土梁梁體不允許產生豎向裂縫的規定。需對該橋病害制定相應加固維修方案。

2 病害原因分析

2.1 裂縫發生和發展情況

(1)橋梁裂縫以橋墩處底板橫縫為主，個別發展到腹板。開裂嚴重的梁板，底板橫縫貫通，底板裂縫寬度大于腹板裂縫寬度；腹板處均為豎向裂縫，沒有斜向裂縫。

(2)裂縫出現在中墩梁板端部，裂縫寬度有的較大，分布位置及形狀相近，在橋臺梁體端部沒有出現，出現裂縫的梁體沒有規律性。

(3)對與本高速同類型的20m空心板進行了現場調查，梁體基本完好，鑿除裂縫處混凝土，發現鋼筋未發生銹蝕，裂縫為非鋼筋銹脹引起的裂縫。

從裂縫發生和發展情況看，考慮梁體腹板未出現斜裂縫，可初步判斷裂縫非剪切原因引起，而是由正截面拉應力超出混凝土拉應力引起。

2.2 施工對局部混凝土強度的影響分析

由于裂縫出現在中墩梁板端部，以下幾種原因可能引起梁端局部混凝土強度減弱。

(1)預應力張拉

負彎矩鋼束張拉時超張拉，會影響對梁板的應力狀態，使端部梁體下部產生暫時受拉，形成裂縫。

(2)混凝土配合比

在混凝土的拌制過程中水灰比過大或澆注過程中控制不當，造成離析現象，振搗后粗骨料沉于下部，水泥漿上浮到頂板，從而使混凝土強度上下不均勻；工期較長時，原材料分批次運進，造成施工實際配比與實驗配比不同，導致混凝土強度偏低，這兩方面原因均可使梁體形成裂縫。

(3)混凝土澆注及養生

裂縫發生在距離橋墩0.5～2m范圍內，為梁板中支點處底板鋼筋傳力錨固區域，同時也為預應力鋼束傳力錨固區域，截面受力復雜 。此處鋼筋較多，普通鋼筋與預應力鋼筋交錯布置，容易造成混凝土振搗不充分，引起混凝土強度不足。

2.3 理論分析

根據設計圖紙，建立橋梁有限元模型。橋梁模型簡化為4孔一聯，先簡支后結構連續。

由于此橋的設計處于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》85規范與04規范交接時間段，此橋是按85規范進行設計的，04規范相對于85規范有許多方面進行了改進及優化，如對混凝土結構的設計方法、汽車荷載、溫度梯度等內容做了較大的更新，考慮到橋梁運營期基本是在04規范體系頒布以后，因此，按照兩個規范分別對本橋進行驗算。驗算兩個內容，即承載能力極限狀態抗彎和抗剪驗算、正常使用極限狀態應力驗算。

2.3.1按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTJ 023-85)驗算

(1)承載能力極限狀態

抗彎驗算采用橋梁博士軟件進行建模計算，計算結果如圖1：

圖1 彎矩包絡圖

從結果可以看出：支點范圍梁板抗彎承載能力可滿足要求，跨中范圍內梁板抗彎承載能力基本滿足要求。

抗剪計算按照04規范第5.2.7條進行計算，經計算，梁板支點處設計剪力727.1kN，斜截面抗剪承載能力883.6kN。抗剪承載能力滿足要求。

(2)正常使用極限狀態

最不利組合梁板上下緣正拉應力如圖2所示：

圖2 截面正應力圖

上緣最大正拉應力為1.75MPa，下緣最大正拉應力發為1.67MPa，拉應力均不大于2.7MPa，滿足規范要求。

最不利組合梁板下緣主拉應力如圖3所示：

圖3 梁體下緣主應力圖

梁板最大主拉應力為1.75MPa，主拉應力不大于2.7MPa，滿足規范要求。

通過以上分析：85規范計算，本橋承載能力極限狀態及正常使用極限狀態均滿足設計要求。

2.3.2按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)驗算

(1)承載能力極限狀態

抗彎驗算采用橋梁博士軟件進行建模計算，計算結果如圖4：

圖4 彎矩包絡圖

從結果可以看出：支點范圍梁板抗彎承載能力可滿足要求，跨中范圍內梁板抗彎承載能力滿足要求。

抗剪計算按照04規范第5.2.7條進行計算，經計算，梁板支點處設計剪力817.1kN，斜截面抗剪承載能力883.6kN。抗剪承載能力滿足要求。

(2)正常使用極限狀態

長期效應組合作用下梁板上下緣正拉應力如圖5所示。

通過圖5可見，混凝土上緣和下緣的最小正拉應力在長期效應下均大于0MPa，即均為壓應力，未出現拉應力，滿足規范要求。

短期效應組合作用下梁板上下緣最小正拉應力如圖6：

圖6 短期效應組合截面正拉應力圖

通過圖6可見，下緣最小正拉應力最小值為1.8MPa，接近規范限值(0.7ftk)。

短期效應組合作用下梁板混凝土主拉應力如圖7：

圖7 短期效應組合梁體下緣主應力圖

通過圖7可見，支點處最小主應力值2.59MPa，超過了規范要求(0.7ftk)。

通過以上分析，可知在短期效應組合下，梁板底緣正應力接近限值，梁板主應力超限。

綜上分析：通過新老規范計算對比，按04規范進行計算，下緣正截面拉應力、主拉應力已經較大，已接近規范限值，但還不足以造成混凝土開裂。施工原因可能會造成端部混凝土強度弱化。在多種不利因素組合下，底板混凝土拉應力容易超出混凝土的拉應力，造成底板首先出現橫向裂縫，裂縫向上發展、增大，使梁板腹板出現豎向裂縫，繼而引起梁板有效抗彎慣性矩減小、抗剪截面尺寸減小，進而危及橋梁的結構安全。

3 加固方案設計

3.1 梁體加固方案

鑒于此病害處橋梁承載能力基本可滿足規范要求，產生裂縫的原因是多方面因素造成的，對梁板區分情況，分別采取措施。

底板未出現裂縫：維持原有狀態。

出現橫向裂縫但裂縫寬度小于0.2mm且未貫通至腹板：選擇代表性裂縫安裝監測系統，長期監測裂縫的發展變化，找出規律，以便采取更為有效的處理措施。

橫向裂縫寬度大于0.2mm或裂縫貫通發展至腹板：采用加固措施。

3.2 梁板維修加固方案比選

3.2.1預應力碳纖維板加固法

預應力碳纖維板加固技術不同于傳統的碳纖維非預應力加固方法，為一種主動加固技術，增加結構的強度和剛度的同時能減少結構的撓度變形，并能減少和封閉裂縫。

預應力碳纖維板系統由預應力碳纖維板、配套碳板粘接劑(碳板膠)、張拉錨固單元三部分組成。

預應力碳纖維板其具體應用優勢如下：

(1)主動加固，有效提升結構承載能力；

(2)高強度、高彈性模量、耐腐蝕、耐老化；

(3)重量輕，幾乎不增加結構自重，無需大型機械配合施工；

(4)碳板加緊錨固現場安裝，施工方便；

(5)碳纖維含量高、材料經過長時間研發、改進，觸變性優良。

3.2.2板底粘貼鋼板加固法

板底粘貼鋼板維修方案主要通過在板底粘貼鋼板，提升梁板承載能力。具體如下：

(1)對維修的空心板板底進行鑿毛處理；

(2)空心板板底粘貼寬20cm、厚1cm的鋼板，見圖8。

圖8 板底粘貼鋼板加固示意圖

3.2.3方案比選

(1)造價對比

針對該二種方案維修工程量進行統計，并參照相應的取費標準，制定相應的估算如表2：

表2 主要經濟指標比較表

(2)加固方案技術比較對比

表3 加固方案技術對比表

綜合上述兩種改建方案，方案一雖然工程造價較高，但加固效果好，對既有梁體影響小，施工簡單，耐久性好，綜合比選，加固方案以預應力碳纖維板加固法為優。

4 施工后評價

本橋進行了裂縫封閉和粘貼碳纖維板施工后，安全檢測系統采集的數據顯示，原有裂縫未繼續發展，亦未出現新的裂縫，橋梁運營情況良好，以較小的經濟代價換來了橋梁壽命的延長，本橋采取的有針對性的處理方案具有較高的經濟價值。