簡支轉預應力連續T梁橋開裂病害分析

李星明

(山西遠方路橋(集團)有限責任公司,山西 大同 037006)

1 簡支轉預應力連續T梁結構主要裂縫病害分布特點

本文以某簡支轉預應力連續T梁結構為例，通過現場調查統計發現，主梁裂縫主要有沿腹板分布的豎向及斜向開裂、T梁橫向聯系結構豎向及斜向開裂及腹板馬蹄貫穿開裂三種。開裂病害整體處于可控狀態，經調查統計發現，裂縫寬度基本介于0.05～0.18 mm范圍內，且不同結構位置的開裂在車輛沖擊荷載作用下呈現出明顯的“開合”現象，腹板底部、橫隔板底部未出現貫穿開裂，主梁截面的整體性良好，截面抗彎剛度未被明顯破壞；此外，單個梁裂縫分布基本呈左右對稱分布，表明主梁結構橫向荷載分布合理，未出現明顯的偏載破壞，也間接表明T梁橫向連接系安全、可靠。

2 簡支轉預應力連續T梁裂縫成因分析

對于鋼筋混凝土結構而言，絕大部分受力構件均處于帶裂縫工作狀態，與鋼筋相比，混凝土材料的抗拉壓強度較低，且混凝土屬于人工非均質材料，不同環境、條件下拌合澆筑的混凝土材料性能離散性較大，因此，在鋼筋混凝土承重構件中，混凝土承載屬于次要功能，尤其是抗彎拉性能，材料的抗壓和保護作用才是混凝土材料的關鍵功能。雖然帶裂縫工作是混凝土結構的常態，但為了保證鋼筋混凝土構件的截面剛度、荷載穩定性及結構完整性，規范中對混凝土結構的裂縫寬度及發展形勢有較為嚴格的限定，在結構服役全過程中，必須始終保證結構裂縫處于規范限值以下，一旦裂縫寬度超限或裂縫發展失控，意味著結構在荷載作用下將出現不可恢復的塑性大變形，這在橋梁結構工程中是絕對不允許的。以預應力鋼筋混凝土T梁為例，根據裂縫成因機理差異，可將T梁裂縫分為荷載開裂和非荷載開裂兩部分。表1就簡支轉預應力連續T梁裂縫分布進行了總結。

2.1 荷載開裂成因分析

荷載開裂是在車輛荷載、基礎不均勻沉降、溫度效應及結構體系改變等因素綜合作用下導致結構局部出現應力突變而引起的結構開裂。根據受力工況不同，荷載開裂可進一步細分為抗彎開裂、抗剪開裂及荷載局部擾動開裂三種。

表1 簡支轉連續預應力T梁裂縫

荷載局部擾動開裂多發于簡支轉預應力連續T梁的施工過程中。局部擾動開裂局限性較大，對于簡支轉連續T型梁而言，容易出現擾動開裂的位置主要有跨中翼板頂部張拉開裂、濕接段張拉局部應力集中開裂等。以簡支轉連續梁墩頂負彎矩預應力張拉施工過程為例，在預應力張拉作用下，如果施工控制不當將出現局部應力擾動開裂。為了提高施工一體化程度，一般先對預應力T梁完成橫向聯系，再對主梁整體施加墩頂負彎矩區濕接段預應力，如果預應力施加不當，墩頂上緣應力狀態將從壓應力逐步向拉應力過渡，一旦拉應力超過混凝土抗拉強度限值，將導致墩頂上緣出現橫向開裂。以邊梁為例，通過分析現場試驗數據得到了以下應力變化結果，具體如圖1所示。

圖1 不同張拉應力作用下的上緣應力變化情況

分析圖1可知，隨著張拉控制應力的逐步下降，上緣應力逐步從壓應力向拉應力過渡，在局部拉應力擾動下，上緣將出現荷載開裂，產生橫向裂縫，嚴重影響濕接段的結構剛度和整體性，因此，在結構體系轉變過程中，必須嚴格控制濕接段的張拉控制力，確保張拉控制力不低于標準抗拉強度的70%。

和擾動開裂不同的是，抗彎開裂和抗剪開裂病害基本出現在運營階段。以預應力鋼筋混凝土T型梁為例，在豎向動靜荷載的作用下，T型梁馬蹄底部拉應力一旦超過混凝土抗拉強度限值，將出現橫向開裂，抗彎開裂危險截面出現在彎矩最大位置，一旦梁底裂縫寬度超過限值，混凝土截面抗彎剛度和完整性將被嚴重削弱，混凝土保護層的保護功能將被破壞。除了抗彎開裂外，抗剪開裂也是鋼筋混凝土T梁常見的裂縫類型之一，尤其是簡支轉連續結構，在負彎矩位置非常容易出現抗剪開裂。剪切裂縫一般出現在斜截面主拉應力不足的位置，主裂縫一般與梁底邊緣呈45°夾角，主裂縫周圍伴隨衍生出眾多次裂縫，如果不能及時處治，剪切開裂位置混凝土將被“剪碎”，出現嚴重的網狀開裂破壞。

2.2 非荷載開裂成因分析

除了荷載開裂外，剩余因素導致的開裂均可歸結到非荷載開裂類型中。常見的非荷載開裂主要有：材料干縮開裂、溫度變形開裂及永久性開裂等。混凝土在凝結硬化過程中，隨著水分蒸發，混凝土干縮效應顯現，在混凝土表面誘導出現大量的毛細網狀開裂，干縮開裂裂縫數量眾多，但寬度較小，一般不大于0.15 mm，分布隨機性較強，沒有明顯規律。溫度開裂可以用熱脹冷縮解釋，尤其是連續梁結構體系中，由于約束數量較多，超靜定結構在溫度應力作用下，溫度變形被約束，進而產生溫度應力，溫度應力超過混凝土材料抗拉強度后將出現溫度開裂。永久性開裂是混凝土結構耐久性的重要反饋信號，永久性開裂不同于其他非荷載開裂，其形成及發展周期較長，混凝土粗骨料在“堿-骨料”反應、化學侵蝕等作用下，骨料變形受到鋼筋骨架約束后沿鋼筋骨架分布方向出現開裂，在簡支轉預應力連續T梁中，常見于變截面交界處、腹板底部等位置。

3 總 結

綜上分析可知，各種荷載及非荷載開裂是簡支轉預應力連續T梁最常見的病害類型之一，不同裂縫對橋梁結構的服役能力的影響程度差異較大，在具體工程實踐中，必須首先明確不同位置及不同裂縫的形成機理，根據成因差異，制定針對性的處治措施，以最大程度降低開裂對橋梁結構各項工況的影響。