大懸臂預應力混凝土橋墩蓋梁開裂成因分析及處治方案

糜懷谷

（蘇州繞城高速公路有限公司，江蘇 蘇州）

1 橋梁概況

K74+758 中橋為雙幅橋，跨徑布置左幅為（15.553+20+26+25）m，右幅為（25+26+20+15.553）m，全橋橫橋向布置為0.5（墻式護欄）+15.75（行車道）+0.5（波形護欄）+1.0（中分帶）+0.5（波形護欄）+15.75（行車道）+0.5（墻式護欄），其中單幅橋寬為17.25 m。橋面鋪裝為10.5 cm 瀝青混凝土及10 cm 鋼筋混凝土，上部為預制空心板簡支梁。下部為輕型橋臺，薄壁式橋墩，預應力混凝土蓋梁。

2 病害概況

大懸臂蓋梁可節約土地，同時兼具美觀功能，在許多城市橋梁上被廣泛使用[1]，但是公路橋梁上大量使用并不多見。近年來發現該類蓋梁出現了各種各樣的裂縫[2-4]。本橋所有橋墩均采用了大懸臂蓋梁，而且是倒T 型隱形蓋梁，橋梁定期檢測發現蓋梁端部封錨區槽口銳角區域出現豎向裂縫，病害特點如下：(1) 蓋梁端部預應力筋錨頭封閉區槽口混凝土存在縫隙，滲漏水；(2) 蓋梁端部銳角側，邊梁支座下方蓋梁存在豎向裂縫，裂縫最寬2 mm，個別裂縫從蓋梁外側表面延伸至頂面邊梁支座下方；(3) 部分蓋梁懸臂根部出現不同程度裂縫，裂縫寬度0.1～0.7 mm，裂縫深度5.0～17.5 cm，見圖1-圖7。

圖1 蓋梁病害位置平面示意圖

圖2 蓋梁端部槽口封錨區界面滲水

圖3 蓋梁端部槽口銳角側面豎向裂縫

圖4 蓋梁端部槽口銳角側面豎向裂縫

圖5 蓋梁端部槽口銳角區頂面裂縫

圖6 R3 蓋梁外側（南）懸臂根部豎向裂縫

圖7 L1 蓋梁內側（南）懸臂根部豎向裂縫

圖8 蓋梁立面圖（虛線為預應力筋位置）

圖9 橋墩蓋梁橫斷面示意圖

圖10 蓋梁配筋斷面圖

圖11 蓋梁端部槽口鋼筋構造示意圖

3 成因分析

3.1 蓋梁銳角端裂縫

該橋蓋梁為預應力倒T 型結構，構造見圖8-11，蓋梁橫橋向受力模式為大懸臂梁，縱橋向受力模式類似于牛腿。

該橋橋墩蓋梁為大懸臂預應力混凝土結構，施工時先張拉預應力，再澆筑蓋梁端部槽口內的封錨混凝土。從病害特征可知豎向裂縫集中出現在蓋梁端部槽口的銳角區域。橋墩蓋梁端部槽口尺寸大，原設計中穿越槽口的蓋梁箍筋約8～10 根。由此推測，穿越槽口的箍筋在施工階段干擾了預應力筋張拉施工，因此該箍筋被截斷，但是在澆筑槽口區封錨混凝土時，穿越槽口的蓋梁箍筋未接長。因此，蓋梁槽口區銳角處受力狀況由原設計的縱橋向牛腿整體受力模式退變為橫橋向懸臂受力模式。但是槽口兩側區域沒有預應力鋼束通過，銳角端頂面鋼筋配置也較弱，導致抗彎承載能力不足。

該橋距離收費站出口約1 km，在疫情交通管制期間，大量超載貨車長時間停放在橋面緊急停車道上，由此導致蓋梁端部出現豎向裂縫。有限元模型分析也表明，在恒載和車輛荷載（出口稱重車輛數據）作用下，槽口銳角區混凝土最大主拉應力在5 Mpa 左右，超出了混凝土的抗拉強度標準值。后續維修過程中將槽口內封錨混凝土打開后證實：沒有任何箍筋穿越槽口混凝土，而且槽口銳角區混凝土已經嚴重開裂，見圖12-圖13。

圖12 蓋梁端部槽口銳角區主拉應力超限

圖13 槽口內無箍筋，銳角區混凝土嚴重開裂

3.2 懸臂根部裂縫

全橋共4 個橋墩出現了此類裂縫，最大縫寬0.7 mm，縫深17.5 cm。本類裂縫位置較有規律性，均在蓋梁懸臂根部區域，如圖6 和圖7 所示。根據現場裂縫位置鉆孔取芯及裂縫寬度分布情況來看，本橋懸臂根部裂縫具有以下特點：(1) 裂縫位置均在懸臂根部；(2) 裂縫主要分布在蓋梁中上部，且上窄下寬，通過鉆孔觀察，裂縫表面較窄，內部較寬；(3) 裂縫均未延伸到蓋梁下緣，整個蓋梁下緣未發現裂縫；(4) 經過多年運營期，目前已穩定。

此類裂縫成因較為復雜，根據以上裂縫特點，可能原因如下：(1) 施工過程中產生的混凝土表面縫；(2) 預應力不足導致的受力裂縫[5]。

根據竣工圖紙進行建模分析復核，計算表明，如果所有預應力鋼束有效預應力滿足設計要求，則蓋梁上緣應該有6.0 MPa 的壓應力儲備。但是部分鋼束如果未張拉或者張拉不滿足設計要求，則截面上緣會出現拉應力，且承載力不足。因蓋梁頂部有橋面鋪裝覆蓋，無法直接觀判斷蓋梁頂面是否存在順橋向裂縫。為確認左幅L1#、L3#、右幅R2#、R3#蓋梁的懸臂根部裂縫是否是由承載能力不足導致的，在懸臂根部裂縫上方的第三車道路面打開了2 個觀察窗口，鑿除了橋面鋪裝層，露出了蓋梁上緣混凝土界面。經過現場確認，蓋梁上緣未發現裂縫，因此，可判斷蓋梁整體受力是安全的，預應力是完整的，蓋梁懸臂根部出現的裂縫為施工過程中出現的表面裂縫，對裂縫進行耐久性處理，并長期觀察即可。

4 維修方案

通常情況下，常規的加固方法有粘貼鋼板、體外束等加固方法[6-7]。本橋蓋梁為倒T 梁，不管是粘貼鋼板還是施加體外束，均應該在蓋梁頂面加固。但是對于倒T型的隱形蓋梁來講，此類方法均不適用。同時考慮到橋面打開后未在蓋梁頂面發現裂縫，因此本次蓋梁懸臂根部裂縫不作加固處治，僅僅裂縫封閉處理，同時在橋梁檢查期間加強跟蹤觀測。

本次維修時，僅對蓋梁端部槽口部位進行加固處理。先將蓋梁上方的外邊梁支撐在臨時鋼結構支撐上，然后鑿除蓋梁端部槽口內的封錨混凝土，再切除槽口兩側的懸臂混凝土。最后在蓋梁端部安裝定制的鋼結構牛腿，將邊梁最外側支座支撐在鋼結構牛腿上。因原蓋梁已經產生不同程度的損傷，為降低結構風險，維修時不宜增加既有蓋梁的荷載，經過對比、測算，采用的鋼結構方案較原混凝土結構減載2.5 t，有效提升了結構的安全儲備。

本次采取的維修措施及流程如下：(1) 交通管制：施工期間采取措施封閉部分車道，待修復完成后恢復交通。(2) 橋下臨時支撐：考慮到蓋梁混凝土已嚴重開裂，因此在維修過程中需及時在橋墩附近對涉及的上部結構作臨時支撐，臨時支撐由條形基礎及鋼管柱組成。(3) 第一次體系轉換：將上部板梁恒載轉移至臨時支撐結構上，確保蓋梁病害檢測及后續維修過程中橋梁結構的安全和穩定。(4) 混凝土鑿除：采取措施，將蓋梁端部銳角側開裂區及預應力混凝土筋封錨區域混凝土鑿除，鑿除混凝土后，順便對預應力錨頭的有效性進行檢測，以確保蓋梁整體受力安全。(5) 施工監控：待臨時支撐結構施工完畢，須由監控單位設置沉降觀測點，對上部結構、支撐結構、下部結構進行跟蹤觀測。待臨時支撐結構沉降及變形趨于穩定后，方可進行蓋梁的混凝土鑿除，且沉降觀測貫徹整個維修過程。(6) 修復蓋梁缺陷：鑿除蓋梁混凝土后，在蓋梁斷面上鉆孔，植入錨栓，安裝鋼牛腿并通過錨栓與原蓋梁連接錨固，完成后澆筑支座墊石等，見圖14 和圖15。(7) 第二次體系轉換：進行第二次體系轉換，將臨時支撐上的支座反力重新轉移回蓋梁。

圖14 鋼牛腿構造

圖15 鋼牛腿構造

5 結論

針對大懸臂預應力混凝土蓋梁的錨固區端頭裂縫病害，分析了病害成因，并采取了科學的處治對策。本次維修處治取得了良好的效果，為同類型病害處治提供了參考經驗。

(1) 對于同類型結構，在設計時不宜將預應力筋錨頭封錨區設置在支座下方，封錨區不宜參與受力，應降低封錨區配筋的復雜性和施工難度；當封錨區必須參與受力時，在施工階段應強化監管，嚴格按圖施工；(2) 對于同類型的在役橋梁，若發現類似病害時，應優先判斷穿越槽口的箍筋的有效性，并做針對性處治。