長聯(lián)大跨既有裂縫預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測與分析

張志強

(1.河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司 石家莊市 050091； 2.河北省公路安全感知與監(jiān)測重點實驗室 石家莊市 050091)

0 引言

自上世紀80年代以來，國內(nèi)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁大量修建，隨著服役期的增加，現(xiàn)已建成的大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁梁體頻繁出現(xiàn)不同程度的結(jié)構(gòu)性病害，特別是箱梁腹板斜裂縫和跨中長期下?lián)系炔『Γ瑖乐赝{了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，并在一定程度上阻礙了大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的應(yīng)用與發(fā)展[1]。以某在役長聯(lián)大跨既有裂縫預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋為依托，對其腹板裂縫、梁體撓度、控制截面應(yīng)變等關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)測，結(jié)果表明：監(jiān)測周期內(nèi)，既有裂縫(長度、寬度、數(shù)量)未發(fā)生明顯變化，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；梁體撓度響應(yīng)變化較為穩(wěn)定，校驗系數(shù)基本處于0.19～0.30之間，未發(fā)生影響結(jié)構(gòu)安全或使用功能的變形；主要控制截面應(yīng)變變化較為穩(wěn)定，校驗系數(shù)基本處于0.2～0.3之間，無明顯的不可逆轉(zhuǎn)的單向變化趨勢；主梁受力狀態(tài)未發(fā)生明顯變化，總體處于安全狀態(tài)。為該橋梁病害后續(xù)的維修處治決策提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

某大跨長聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，主橋跨徑組合為65m+10×110m+65m，一聯(lián)總長1230m，縱坡0.8%，橫坡2%，主橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁由兩幅單箱單室的箱梁構(gòu)成，兩箱梁中心距14m，凈距1.0m，全寬27m。單箱頂寬13m，底寬6.5m，腹板為直腹板，腹板厚度35～50cm，底板厚度28～140cm，頂板厚度28cm，中間支點根部梁高6.0m，跨中梁高2.8m，箱梁底面按圓弧線變化，全橋僅在支點處設(shè)有橫隔板，主橋箱梁采用縱、橫、豎向三向預(yù)應(yīng)力體系。下部結(jié)構(gòu)采用圓端形混凝土實體墩。設(shè)計荷載等級為汽車-超20級，掛車-120級。橋梁縱斷面、橫斷面示意圖見圖1、圖2。

圖1 橋梁縱斷面示意圖

圖2 橋梁橫斷面示意圖(單位：cm)

2 現(xiàn)狀裂縫特征及分析

2.1 現(xiàn)狀裂縫特征

根據(jù)近年該橋外觀定期檢查結(jié)果，該橋多跨箱梁均出現(xiàn)不同程度的多條腹板斜向裂縫、頂板縱向裂縫等裂縫類病害。

(1)各孔箱梁腹板斜向裂縫主要分布在近L/4和3L/4處的腹板內(nèi)側(cè)和外側(cè)，見圖3，裂縫走向與水平向基本呈30°～40°左右夾角，裂縫長度0.7～2.6m，個別跨越相鄰澆筑節(jié)段，典型裂縫寬度為0.06～0.20mm，近截面中性軸處裂縫寬度較大，在箱梁梁體基本成對稱分布形式。

(2)各孔箱梁頂板縱向裂縫主要分布在近L/2處的頂板底面，橫向接近箱梁縱軸線，裂縫長度為1.2～3.5m，典型裂縫寬度為0.08～0.14mm。

圖3 箱梁腹板斜裂縫典型分布示意圖(單位：cm)

2.2 既有裂縫分析

2.2.1腹板斜裂縫

箱梁腹板斜裂縫通常稱為主拉應(yīng)力裂縫，一般近L/4處箱梁在剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力共同作用下，腹板局部主拉應(yīng)力過大，并超過混凝土極限抗拉強度而開裂。對于箱梁腹板應(yīng)力問題，可將其簡化為平面應(yīng)力問題，腹板主拉應(yīng)力計算公式為：

(1)

主拉應(yīng)力方向與水平向夾角α為：

(2)

式中：σtp為作用頻遇組合和預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土主拉應(yīng)力；σcx為由作用頻遇組合和預(yù)加力計算的彎矩Ms產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力；σcy為混凝土豎向壓應(yīng)力；τ為在計算主應(yīng)力點，由預(yù)應(yīng)力彎起鋼筋的預(yù)加力和按作用頻遇組合計算的剪力Vs產(chǎn)生的混凝土剪應(yīng)力。

由式(1)、式(2)可以得出，混凝土的主拉應(yīng)力大小取決于其縱向正應(yīng)力、豎向正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，跨中主拉應(yīng)力方向為豎向，由跨中向墩頂其與水平向夾角逐漸減小。在箱梁腹板尺寸滿足規(guī)范要求的截面設(shè)計基礎(chǔ)上，適當增大縱向預(yù)應(yīng)力可以使主拉應(yīng)力減小，若同時施加足夠大的豎向預(yù)應(yīng)力，可以很大程度上抵消箱梁腹板的主拉應(yīng)力[2]。

在上述理論分析基礎(chǔ)上，并結(jié)合相關(guān)文獻資料[2-4]，對箱梁腹板斜裂縫成因總結(jié)分析：

(1)原設(shè)計規(guī)范[5]較現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范[6]對斜截面混凝土容許主拉應(yīng)力的取值偏大。

(2)設(shè)計中對箱梁空間效應(yīng)和橫向效應(yīng)考慮不足。

(3)原設(shè)計規(guī)范溫度計算模式與實際溫度效應(yīng)差異較大。

(4)梁高較小的部位，豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋長度變小，預(yù)應(yīng)力損失過高。

(5)施工缺陷致使豎向有效預(yù)應(yīng)力損失嚴重，或豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉不到位。

(6)混凝土抗拉強度離散性很大，局部混凝土實際極限抗拉強度不足。

(7)實際運營荷載較原設(shè)計規(guī)范活載超載。

以上因素，均使混凝土實際主拉應(yīng)力超過其實際抗拉強度，導(dǎo)致箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫。

2.2.2頂板縱向裂縫

頂板縱向裂縫通常沿縱軸不連續(xù)延伸，寬度也較小，主要原因如下：

(1)混凝土水化熱、收縮作用引起橫向應(yīng)力過高。

(2)頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失過高或張拉不到位。

(3)超載運行導(dǎo)致頂板橫向彎矩過大。

(4)箱梁內(nèi)外溫差變化引起的橫向應(yīng)力估計不足。

(5)縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)計過大，引起橫向拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度。

3 監(jiān)測內(nèi)容

為分析結(jié)構(gòu)性能參數(shù)在運營環(huán)境下的發(fā)展變化，掌握結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)，為既有病害的處治維修決策提供數(shù)據(jù)支撐，對典型腹板斜裂縫、頂板縱向裂縫、主梁撓度及應(yīng)變等關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)測。

采用有限元程序?qū)χ髁航Y(jié)構(gòu)進行受力分析，在設(shè)計荷載作用下，主橋第4～第8孔主梁彎矩、撓度及腹板主拉應(yīng)力無明顯差異，且較其余孔跨荷載效應(yīng)偏大。主梁彎矩、撓度以及腹板主拉應(yīng)力分布如圖4～圖6所示。

圖4 設(shè)計荷載作用下主梁彎矩圖

圖5 設(shè)計荷載作用下主梁撓度圖

圖6 設(shè)計荷載作用下主梁腹板主拉應(yīng)力圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，并結(jié)合現(xiàn)狀裂縫分布特征，選取該橋裂縫病害較為嚴重的右幅主橋第4孔作為典型監(jiān)測孔跨，在2021年9月—12月的每月不同典型監(jiān)測時段(9月27日—30日、10月27日—30日、11月15日—18日、12月4日—7日)實施監(jiān)測。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測內(nèi)容

4 監(jiān)測結(jié)果

4.1 箱梁裂縫監(jiān)測結(jié)果

利用裂縫傳感器對監(jiān)測孔跨箱梁左(右)腹板內(nèi)側(cè)斜裂縫、頂板縱縫寬度進行定期監(jiān)測。在不同典型監(jiān)測時段內(nèi)，箱梁腹板斜縫、頂板縱縫裂縫寬度變化量較小，寬度最大擴展量為0.033mm，寬度變化與環(huán)境溫度具有一定的相關(guān)性，無明顯不可逆轉(zhuǎn)的單向變化趨勢，所監(jiān)測裂縫的長度、寬度、數(shù)量均未發(fā)生明顯變化。裂縫變化情況如表2所示，典型裂縫寬度監(jiān)測曲線如圖7、圖8所示。

表2 監(jiān)測孔跨箱梁既有裂縫變化情況表

圖7 監(jiān)測孔跨箱梁L/4左腹板內(nèi)側(cè)斜縫寬度變化典型監(jiān)測曲線

圖8 監(jiān)測孔跨箱梁L/2頂板縱縫寬度變化典型監(jiān)測曲線

4.2 箱梁撓度監(jiān)測結(jié)果

(1)主梁撓度最大響應(yīng)分析

利用動撓度傳感器對監(jiān)測孔跨箱梁L/4、L/2、3L/4的動態(tài)撓度進行定期監(jiān)測。在不同典型監(jiān)測時段內(nèi)，運營荷載作用下，各撓度測點響應(yīng)峰值比較穩(wěn)定，均小于黃色預(yù)警閾值，未發(fā)生影響結(jié)構(gòu)安全或使用功能的變形。不同監(jiān)測時段內(nèi)監(jiān)測孔跨主梁撓度最大響應(yīng)如表3，典型撓度監(jiān)測時程曲線如圖9所示。

(2)不同溫度下主梁恒載變形分析

在不同典型監(jiān)測時段內(nèi)，不同溫度下主梁恒載變形比較穩(wěn)定，變化量均較小，無明顯的不可逆轉(zhuǎn)的單向變形趨勢。在不同監(jiān)測時段內(nèi)各測點隨溫度變化撓度如表4所示，典型溫度效應(yīng)時程曲線如圖10所示。

表3 監(jiān)測孔跨箱梁主梁撓度最大響應(yīng)統(tǒng)計表

(3)車輛荷載作用下?lián)隙刃ｒ炏禂?shù)分析

結(jié)合結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的精度及實際評估需要，采用運營荷載準靜態(tài)、動態(tài)效應(yīng)分離技術(shù)，提取典型監(jiān)測時段內(nèi)L/4截面、跨中截面、3L/4截面撓度監(jiān)測最大響應(yīng)，將車輛荷載下?lián)隙容^大的車輛經(jīng)過主要位置時的結(jié)構(gòu)撓度校驗系數(shù)作為評價指標，評判橋梁承載能力和工作狀態(tài)。

圖9 監(jiān)測孔跨箱梁主梁撓度典型監(jiān)測曲線

表4 監(jiān)測孔跨箱梁主梁隨溫度變化撓度變化量統(tǒng)計表

圖10 監(jiān)測孔跨箱梁主梁隨溫度變化撓度典型監(jiān)測曲線

在不同典型監(jiān)測時段內(nèi)，主梁撓度校驗系數(shù)比較穩(wěn)定，剛度無明顯退化趨勢，并且均小于1，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求，結(jié)構(gòu)整體工作性能良好。在不同監(jiān)測時段內(nèi)各監(jiān)測斷面撓度校驗系數(shù)如表5所示。

4.3 箱梁應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

在不同典型監(jiān)測時段內(nèi)，主梁梁底應(yīng)變變化比較穩(wěn)定，變化量均較小，主要控制截面應(yīng)變校驗系數(shù)基本處于0.2～0.3之間，無明顯的不可逆轉(zhuǎn)的單向變化趨勢，主梁受力狀態(tài)未發(fā)生明顯變化。典型監(jiān)測曲線如圖11所示。

表5 典型監(jiān)測時段內(nèi)監(jiān)測孔跨箱梁主梁撓度校驗系數(shù)

圖11 監(jiān)測孔跨箱梁主梁L/2截面梁底應(yīng)變典型監(jiān)測曲線

5 結(jié)語

根據(jù)既有裂縫混凝土連續(xù)箱梁典型橋跨特征時段內(nèi)的主梁裂縫、撓度、應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得到主要結(jié)論如下：

(1)混凝土連續(xù)箱梁既有腹板斜縫、頂板縱縫裂縫寬度變化量較小，無明顯不可逆轉(zhuǎn)的單向變化趨勢，所監(jiān)測裂縫的長度、寬度、數(shù)量均未發(fā)生明顯變化，裂縫基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)主梁撓度響應(yīng)比較穩(wěn)定，未發(fā)生影響結(jié)構(gòu)安全或使用功能的變形；不同溫度下主梁恒載變形比較穩(wěn)定，無明顯的不可逆轉(zhuǎn)的單向變形趨勢；主梁撓度校驗系數(shù)比較穩(wěn)定(基本處于0.19～0.30之間)，結(jié)構(gòu)剛度無明顯退化趨勢，結(jié)構(gòu)整體工作性能良好。

(3)主梁梁底應(yīng)變變化比較穩(wěn)定，變化量均較小，主要控制截面應(yīng)變校驗系數(shù)基本處于0.2～0.3之間，無明顯的不可逆轉(zhuǎn)的單向變化趨勢，主梁受力狀態(tài)未發(fā)生明顯變化。

綜合上述結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測結(jié)果，現(xiàn)階段該混凝土連續(xù)箱梁既有裂縫病害已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，主梁撓度和應(yīng)變響應(yīng)較為穩(wěn)定，主梁受力狀態(tài)無明顯變化、剛度無明顯退化，主梁結(jié)構(gòu)總體處于安全狀態(tài)。但由于混凝土箱梁腹板斜裂縫不能像正截面裂縫大多數(shù)使用狀況下均為閉合的，而是出現(xiàn)后會始終處于開裂狀，為保證結(jié)構(gòu)耐久性和安全性，建議現(xiàn)階段對其既有腹板斜縫、頂板縱縫進行封閉處治，必要時可采取粘貼鋼板或預(yù)應(yīng)力碳板加固處治，維修加固后繼續(xù)跟進混凝土箱梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測，如若發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)出現(xiàn)異常變化，及時采取處治措施。