先張法空心板底板縱向裂縫產生原因與影響研究

鄭凱

(佛山市公路橋梁工程監測站有限公司， 廣東 佛山 528041)

對多條高速公路橋梁的檢測發現，運營階段橋梁大多存在不同類型和對結構有不同影響的病害。空心板梁是一種較常見的橋梁結構形式，底板縱向開裂是空心板梁常見病害。該文通過支座壓縮試驗、靜載試驗等，分析空心板梁底板縱向裂縫產生原因及對結構受力性能的影響。

1 工程概況

某橋梁上部結構主要為15 m跨先張法預應力空心板梁，采用先簡支后連續的方法施工，形成四孔一聯至九孔一聯的連續板結構。根據檢查結果，空心板梁底板存在較多縱向裂縫(單幅橫向16片空心板梁基本上存在縱向裂縫)，裂縫主要分布在底板中間，沿橋梁跨徑方向已基本貫通，裂縫寬度為0.10～1.25 mm(見圖1、圖2)，遠超過規范要求。管養單位對部分橋跨空心板梁底板縱向裂縫采取封閉裂縫、粘貼鋼板或碳纖維的方法進行了加固處理?？紤]到該橋存在縱向裂縫的空心板梁數量較多，若對存在縱向裂縫的空心板梁全部采用粘貼鋼板或碳纖維的方法進行加固，成本偏高。為制訂科學合理的空心板梁底板縱向裂縫維修加固方案，對存在縱向裂縫的空心板梁進行受力性能試驗研究，評估底板縱向開裂后空心板梁的工作狀態。

圖2 空心板梁底板縱向裂縫局部狀況

2 研究思路

空心板梁在底板未開裂時為閉口截面，抗扭剛度較大。理論上當底板開裂較嚴重，尤其是底板縱向裂縫沿橋梁跨徑方向貫通且裂縫貫通底板厚度時，板梁橫斷面將接近開口截面，截面抗扭剛度大大降低。由于結構抗扭剛度出現變化，可能導致橋跨橫向各片空心板梁的橫向分布偏離設計狀態，造成空心板梁縱向受力發生變化，縱向受力的變化可能導致某些空心板梁(如邊梁)受力性能無法滿足設計要求和正常使用要求。此外，縱向裂縫會引起預應力鋼絞線或普通鋼筋銹蝕，影響結構的耐久性。為此，通過以下試驗，分析梁底縱向裂縫對空心板梁工作狀態的影響，為梁體縱向裂縫處理提出科學合理的建議：

(1) 空心板梁荷載橫向分布系數測試。通過橫向移動車輛測試空心板梁荷載橫向分布系數，并與理論計算結果對比，分析縱向裂縫對荷載橫向分布系數的影響。

(2) 支座壓縮測試。通過在梁端布置荷載，測量支座在荷載作用下的壓縮情況，分析空心板梁底板縱向裂縫的產生與支座工作狀態的關系。

(3) 底板縱向裂縫剪切變形測試。通過測試縱向裂縫兩側底板的變形差，分析空心板梁開裂后底板是否存在相對剪切變形。

(4) 空心板梁荷載試驗。通過荷載試驗對空心板梁的承載能力進行評定，分析縱向裂縫對空心板梁承載能力的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 荷載橫向分布系數測試

3.1.1 理論計算

試驗前，對空心板梁采用設計截面慣性矩和考慮底板開裂后開裂截面慣性矩對各空心板梁荷載橫向分布影響線進行理論計算。計算采用鉸接板梁法，先按式(1)計算得到剛度參數γ，再根據γ查《公路橋涵設計手冊：梁橋》(第2版)得到各梁的荷載橫向分布影響線。計算結果見圖3、圖4。

圖3 空心板梁未開裂時橫向分布影響線理論計算結果

圖4 空心板梁開裂后橫向分布影響線理論計算結果

(1)

式中：I為抗彎慣性矩；IT為抗扭慣性矩；b為空心板梁寬度；l為空心板梁跨徑。

3.1.2 荷載橫向分布系數測試

選取試驗跨跨中截面進行荷載橫向分布系數測試，分析各梁間的橫向連接情況。測試加載見圖5，根據各梁實測撓度推算的試驗截面荷載橫向分布影響線豎標值見表1，各梁實測荷載橫向分布影響線與理論橫向分布影響線的對比見圖6、圖7。

表1 試驗跨跨中截面實測荷載橫向分布影響線

由圖6、圖7可知：各梁實測荷載橫向分布影響線較圓滑，說明各梁橫向連接正常；對比實測荷載橫向分布影響線和理論計算橫向分布影響線(考慮10 cm后澆整體化層)，梁體的實際荷載橫向分布情況更接近按未開裂截面的理論計算結果，據此推斷空心板梁底板縱向裂縫對梁體荷載橫向分布的影響較小。

D1、Di、Dn表示各加載輪位至防撞墻內側邊緣的距離

續表1

圖6 各梁實測與理論計算荷載橫向分布影響線對比(1#～8#梁)

圖7 各梁實測與理論計算荷載橫向分布影響線對比(9#～16#梁)

3.2 支座壓縮測試

通過測試支座附近梁體豎向位移分析試驗荷載作用下支座壓縮情況，結合裂縫分布、支座脫空情況，判斷空心板梁縱向裂縫的產生與支座工作狀態之間的關系。測點布置及加載見圖8，支座附近梁體豎向位移測試值見表2，各加載輪位下梁體位移分布見圖9，各空心板梁梁體位移隨加載輪位的變化見圖10。

表2 支座壓縮測試值 mm

圖8 支座壓縮試驗測點布置及加載示意圖

試驗前檢查發現該橋跨存在多個支座脫空現象。但從圖9、圖10可看出：各空心板梁支座壓縮量及與加載位置的關系曲線較光滑，未出現支座壓縮量突變現象，說明各梁板間鉸縫工作狀態良好。由于鉸縫能較好地傳遞梁間剪力，通過測試梁體位移較難判斷支座脫空問題。

圖9 各加載輪位下梁體位移

圖10 各梁支座壓縮與加載位置的關系

3.3 縱向裂縫剪切變形測試

在裂縫兩側布設應變測點，測試各試驗工況下兩側測點實測應變的差異，若兩側對應測點的應變值差異不大，則裂縫對結構受力的影響不大；跨縱向裂縫布置應變測點，測試各試驗工況下裂縫擴展情況，分析營運荷載對裂縫發生、發展的影響；測試裂縫兩側底板是否出現錯動，若出現錯動，說明梁體扭轉剛度削弱很大，反之則不明顯。應變測點布置在8#梁、15#梁底，錯動測點布置在15#梁底(見圖11)。空心板梁底板縱向裂縫剪切變形測試結果見表3。

圖11 應變測點及錯動測點布置示意圖

由表3可知：對于縱向裂縫兩側平行于縱向裂縫的測點，在縱橫向各種加載輪位下，除個別測點外，應變值基本一致；對于跨縱向裂縫的測點，在縱橫向各種輪位作用下應變值均小于20 με。試驗橋跨空心板梁沿裂縫方向布置的剪切位移測點，在試驗過程中所有加載輪位下其位移均為零，表明縱向裂縫兩側的底板不存在縱向剪切變形。

表3 縱向裂縫剪切變形試驗實測應變 με

綜上，縱向裂縫對空心板梁抗扭性能的影響較??；在試驗荷載作用下，縱向裂縫擴展不顯著；縱向裂縫不是由運營荷載所致，而是由早期綜合原因造成，但運營荷載對裂縫發展有一定影響。

3.4 空心板梁靜載試驗

為分析底板縱向裂縫對空心板梁承載能力的影響，依據《公路橋梁荷載試驗規程》和《公路橋梁承載能力檢測評定規程》進行空心板梁靜載試驗。試驗在南行L0#～L4#墩之間的橋跨(四孔一聯，15.58 m+3×15 m)進行，測試截面為邊跨0.4L截面和中跨跨中截面。根據靜載試驗數據，得到以下結論：

(1) 殘余評定。卸載工況下應變殘余及撓度殘余均滿足規范中相對殘余小于20%的規定，截面處于彈性工作狀態。

(2) 校驗系數評定。最大級加載工況下，A截面1#～3#梁測試截面的應變校驗系數分別為0.792、0.736、0.764，B截面1#～3#梁測試截面的應變校驗系數分別為0.670、0.720、0.710，滿足規范中預應力砼橋應變(應力)校驗系數為0.6～0.9的要求；A截面1#～3#梁撓度校驗系數分別為0.734、0.765、0.794，B截面1#～3#梁撓度校驗系數分別為0.712、0.724、0.784，滿足規范中預應力砼橋撓度校驗系數為0.7～1.0的要求。

(3) 抗裂性評定。截面抗裂測點的應變隨荷載效率呈較好的線性變化，表明在試驗荷載作用下截面底緣抗裂測點附近未出現開裂現象，截面抗裂性能基本滿足設計要求。

(4) 撓度評定。在設計荷載(不計沖擊)作用下，A截面1#～3#梁撓度分別為3.57、3.70、3.90 mm，B截面1#～3#梁撓度分別為2.62、2.81、3.07 mm，遠小于規范要求(15 000/600=25 mm)，結構剛度滿足要求。

綜上，梁底縱向裂縫對梁體承載能力及正常使用基本沒有影響。

4 結論及建議

綜合荷載橫向分布系數測試、支座壓縮試驗、縱向裂縫剪切測試和靜載試驗結果，梁底縱向裂縫對試驗跨空心板梁承載能力及正常使用基本沒有影響，梁體承載能力滿足設計荷載要求?？v向裂縫的形成主因不是運營荷載，但運營荷載對裂縫發展有一定影響。

可從改善梁體耐久性著手進行裂縫處理，建議對非通長縱向裂縫進行封閉處理，對通長裂縫通過粘貼纖維加以封閉。另外，梁體維護過程中對脫空支座進行處理，恢復支座的正常受力功能，防止衍生病害的發生。