裝配式箱梁橋跨中橫向裂縫成因分析及加固措施

文∕韋武朗

1 前言

近年來，PC 橋因其造型美觀、結構緊湊、整體性、連續性好、施工技術成熟、設計理論成熟等優點得到了廣泛的應用。橋梁主要采用箱形截面，具有較大的抗彎剛度、抗扭剛度和較低的梁高，預應力混凝土箱梁橋有現澆、懸臂澆筑、預制、頂推等多種施工方法。PC 箱梁橋接縫少，行車舒適，維修方便。但目前暴露出的問題較多，最常見的是在施工和運營過程中，屋面、樓板、腹板、橫隔板、齒輪箱等部位出現不同程度的裂縫，從而危害橋梁的正常使用。因此，全面分析PC 橋箱梁裂縫的主要原因，并提出相應的解決建議具有重要意義。

2 裂縫現狀及原因分析

2.1 裂縫現狀

本文以融水至河池高速公路工程中某小型裝配式箱梁橋為研究對象，對其質量進行監督管理，著重對橋梁裂縫進行統計分析。橋梁上部結構的1～7、9～16 聯軸節采用簡支預應力混凝土連續組合箱梁。橋梁高1.6m，頂板厚18cm，腹板厚度由支架附近25cm 逐漸變為中跨18cm，底板厚度由支架附近25cm 逐漸變為中跨18cm。下部結構橋墩采用矩形橋墩和灌注樁基礎。橋梁剖面圖見圖1，橋梁標準橫斷面布置圖見圖2。

圖1 橋梁第16 斷面（單位：cm）

圖2 橋梁標準橫斷面(單位：厘米)

2014年2月，首次發現小箱梁在跨中附近樓板出現橫向裂縫，腹板出現豎向裂縫。2015年6月，箱梁開裂數量呈增長趨勢。2015年8-12月，對開裂的箱梁進行體外預應力加固。2016年和2017年，發現無筋小箱梁繼續開裂。箱梁開裂統計見表1。典型斷裂示意圖如圖3所示。

圖3 典型斷裂示意圖

表1 箱梁裂紋統計

從開裂情況看，其特點如下：

（1）橫向每四片箱梁，中間梁或邊梁出現橫向裂縫，且無一定規律性，新裂縫多分布在跨中。

（2）裂縫以腹部垂直、地板橫向為主，有的呈“U”形或“L”形，裂縫寬度小于0.15mm。

（3）組合箱梁底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫深度較淺，在保護層直至鋼筋表面端部出現裂縫。

（4）開裂梁略向下，未開裂梁有一定的上拱。

2.2 裂紋狀態監測

監測橋梁裂縫狀態的系統能夠實現實時測量和數據的自動無線傳輸。本文的技術方法是能夠自動測量大量的開口寬度裂縫，這在監測到的裂縫位于難以到達的地方的情況下尤為重要。所述監控系統包括一個或多個運動傳感器和記錄裝置，可使用計算機或便攜式筆記本電腦進行記錄。

傳感器安裝在適當地檢查點上，這些檢查點可以位于橋梁結構的不同部分，也可以安裝在該區域的不同橋梁工程上，以及連接到記錄裝置的無線電接收器模塊通過無線電與作為傳感器的一部分的每個發射無線電模塊進行通信。傳感器中所有模塊的電源電壓由獨立的化學電源產生；因此，無需將電源線連接到傳感器上。

整個測量周期完成一次，然后傳感器再次進入“休眠”模式。整個測量周期進行的時間不超過1 秒。因此，實現了顯著的節能效果；化學電源的供電電壓可以持續很長一段時間（以年為單位）。

傳感器技術規格：

①測量精度為0.01mm；

②測量范圍取決于千分表為10、25 和50mm。

當需要監測結構不同部分的多個裂縫時，需要根據監測點的數量使用多個傳感器。在這種情況下，無線電接收器模塊依次與構成每個傳感器一部分的無線電發射器模塊通信。每一個都有自己的號碼，并通過無線電將信息傳送到記錄裝置。

在將傳感器安裝在待監測裂縫上之前，必須對裝置進行校準。為此，傳感器外殼有一個專門內置的千分表。將微控制器切換到“校準”模式時，傳感器始終處于工作狀態，并且讀數不是每天只讀取一次，而是在記錄單元的每次請求下讀取。當伸縮桿設置為移動時，指示器以0.01mm 的精度定義該移動，用戶可以從指示器和記錄設備上直觀地讀取讀數。在伸縮桿的整個移動范圍內進行校準，根據傳感器讀數繪制校準圖，以反映微控制器讀數對應于裂紋的擴展程度。稍后將需要此圖來解釋從傳感器接收到的讀數。此外，用戶可以定期通過千分表直觀地監視傳感器讀數，并確保其正常。

在設施上獲得的數據將自動輸入數據處理中心以供進一步分析。從而實現了對大量裂紋和接頭間隙的自動測量。

2.3 結構計算結果

（1）原設計極限承載力狀態滿足規范要求。在正常使用情況下，邊梁的正拉應力和正應力均滿足《預應力甲級構件規范》的要求，但跨中安全儲備較少。

（2）根據試驗結果，邊梁與中梁最不利組合情況下梁體各關鍵截面的正拉應力見表2。

由試驗結果計算可知，在正常使用極限狀態下，邊梁中跨下緣和中梁中跨最大法向拉應力分別為2.82MPa 和3.08MPa，均超過規范規定的預應力甲級構件極限值2.7MPa。

表2 基于試驗結果的邊梁法向拉應力

2.4 加固前靜載試驗結果

靜載試驗結果表明：

（1）在相應工況的試驗荷載下，53 跨（邊跨）中跨段各測點和52 跨（中跨）中跨段大部分測點的應變和撓度校核系數均大于1，不符合規范要求。

（2）在各工況試驗荷載下，各試驗段各測點的相對殘余應變和撓度值均小于20%。目前，試驗段基本處于彈性工作狀態。

2.5 實際運行負荷調查

根 據2015年6月1日 至2016年5月31日 的車輛交通調查，共清點出入口6 個，發現100 噸以上車輛40 輛，其中最重車輛114.32 噸。

基于以上分析，本橋小預應力箱梁跨中區域橫向裂縫的主要原因是預應力梁分布少、交通量增加、橋上超重車輛較多的小預應力箱梁。

3 維修加固

3.1 鋼筋

原小箱梁結構采用體外預應力加固，中間跨僅張拉體外預應力。中跨每根箱梁采用兩根3φs15.2 鋼索，張拉控制應力為0.65×1860＝1209MPa。體外預應力鋼梁的縱、橫截面布置如圖4、5 所示。

圖4 預應力鋼梁縱向布置

圖5 預應力鋼梁截面布置

3.2 加固效果分析

原設計加固的主梁關鍵截面拉應力對比、檢測結果及推薦方案見表3。

表3 主梁關鍵截面拉應力對比表

由表3 可知，根據試驗結果，邊梁中跨拉應力和中梁中跨拉應力分別計算為2.82MPa 和3.08MPa。加固后兩截面的拉應力分別為0.95MPa 和1.18MPa，邊梁跨中拉應力接近原設計值，加固效果較為理想。

4 加固后效果監測評價

（1）對于體外預應力加固的橋梁，監測點在工作荷載作用下的預警水平是安全的。連續兩年同月撓度數據基本相同，撓度測點日均變化較小，如圖6 所示。

圖6 體外預應力橋梁跨中日平均撓度時間曲線

（2）對于裂縫且僅封閉處理的橋梁跨度，監測點在運營荷載作用下的預警水平具有較高的風險性。連續兩年同月跨橋撓度數據有增大趨勢，梁體向下。同時，在橋梁跨中區域產生新的結構裂縫，如圖7 所示。監測結果表明，體外預應力加固后的小箱梁未發現新的裂縫，橋梁在運營荷載作用下處于安全狀態，說明加固措施是切實有效的。

圖7 無筋橋梁跨中日平均撓度時間曲線

5 結語

針對小箱梁跨中樓板橫向裂縫和腹板豎向裂縫，采用體外預應力加固措施，提高了箱梁的承載力，增加了安全儲備。該橋加固后已運營兩年多，未發現其他裂縫。因此，本文提出的加固方法可為類似橋梁的維修加固提供參考。