预应力混凝土连续箱梁病害评估及成因分析

冯海龙，高 岩，胡 强

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

预应力混凝土连续箱梁病害评估及成因分析

冯海龙，高 岩，胡 强

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

一城市快速路预应力混凝土连续箱梁桥在反弯点附近，腹板竖向开裂，裂缝最大宽度达0.7 mm。对该桥进行了外观检查、无损检测、结构检算及静载试验综合评估，并结合评估结果对病害成因进行了分析。分析结果表明:腹板开裂是由于设计中反弯点处预应力钢筋布置不合理，在反弯点处重心偏高且较集中，造成反弯点附近抗弯、抗裂强度不够。此外，由于桥梁施工工艺欠佳或养护不当造成梁体在反弯点处收缩开裂，并在后期进一步发展。

预应力混凝土连续箱梁 反弯点 腹板竖向开裂 结构病害评估

1 桥梁概况

一城市快速路桥梁上部结构采用6跨等截面现浇预应力混凝土连续箱梁，梁高1.6 m。全联为直线桥，跨径布置为(25+25+26.61+33.39+25+25)m，桥宽14.5 m，横向布置为1.5 m(绿化带)+12.25 m(机动车道)+0.75 m(防撞栏杆)。主梁预应力筋采用规格为9-φj15.24 mm的低松弛钢绞线，张拉控制应力1 302 MPa。箱梁及混凝土铺装层采用40号混凝土。结构跨中横截面见图1。

图1 结构跨中位置横截面 (单位:cm)

2 结构病害评估

2.1 结构病害评估方法

预应力混凝土连续箱梁结构病害评估是一个系统工程，按照其先后顺序，主要分为外观检查、无损检测、结构检算及静载试验4个部分。

1)外观检查

外观检查是对结构及其附属设施的所有构件或部位进行系统的检查。对于预应力混凝土连续箱梁，裂缝检查是该环节中最重要的检查项目，检查内容主要包括裂缝出现的位置、长度、宽度、形态及走向等。

2)无损检测

针对外观检查中发现的结构开裂部位，采用超声波探测法对裂缝深度进行检测，进而判断其是表面裂缝还是结构受力裂缝。

3)结构检算

结构检算可以全面掌握结构各构件的受力状态。对于病害桥梁的结构检算，按现场实测的结构尺寸及车辆质量建立全桥有限元模型加以计算分析，并根据外观检查及无损检测的结果，按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)的规定进行系数调整。

4)静载试验

对于开裂的预应力混凝土连续箱梁，可以通过静载试验的方法，判断裂缝对结构受力的影响及结构预应力度是否满足要求。

2.2 外观检查结果

外观检查发现部分桥跨反弯点处箱梁腹板存在竖向开裂现象，裂缝最大宽度0.7 mm，部分裂缝已延伸至底板，空间呈L形。梁体裂缝状况见图2。

图2 梁体裂缝状况

2.3 无损检测结果

选取第2跨梁体，利用超声波对其外侧腹板开裂较宽处探测裂缝开展深度，梁体两测点位置实测裂缝深度分别为150.3，199.3 mm。受钢筋影响，实际裂缝深度可能较以上测试值更深，可以初步判断为结构受力裂缝。

2.4 结构检算结果

根据现场检查结果及设计图纸，分别按照该桥原设计规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023—85)及现行规范《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)进行结构检算，分析该桥的受力状态及病害产生原因。

该桥原设计荷载为汽车—超20级、挂车—120，梁体结构采用单箱双室截面。计算时考虑了箱梁顶板、底板有效分布宽度和温度效应。基于保守检算，活载均按汽车—超20级、挂车—120考虑。其中，JTJ 023—85温度效应按顶板升降温5℃考虑，JTG D60—2004规范温度效应按照温度梯度模式考虑。

1)按JTJ 023—85进行结构检算

在JTJ 023—85体系下，对主梁承载能力极限状态和正常使用极限状态受力进行检算。结构检算采用桥梁结构专业分析软件桥梁博士V3.0。

承载能力极限状态结构检算内容为正截面抗弯承载力。正常使用极限状态结构检算内容为截面正应力、主应力及梁体刚度。在荷载组合Ⅰ～Ⅲ下，结构检算结果均满足JTJ 023—85要求。

2)按JTG D60—2004进行结构检算

在JTG D60—2004以及JTJ 023—85体系下，对主梁承载能力极限状态和正常使用极限状态受力进行检算。结构检算采用桥梁结构专业分析软件MIDAS。

承载能力极限状态结构检算内容为正截面抗弯强度和斜截面抗剪强度。检算结果表明:考虑 JTG D60—2004温度效应，主梁正截面抗弯强度在墩顶及跨中位置满足要求，但在反弯点附近部分截面不满足规范要求;主梁斜截面抗剪强度满足规范的要求。正截面抗弯强度检算结果见表1。

正常使用极限状态结构检算内容为正截面抗裂、斜截面抗裂及主梁刚度。检算结果表明:主梁斜截面抗裂、第4跨4#墩顶附近正截面抗裂均不满足规范对混凝土预应力A类构件要求;主梁刚度满足规范要求。

2.5 静载试验结果

为掌握梁体的基本情况和受力性能，静载试验主要包括:跨中截面承载能力测试、墩顶截面承载能力测试、反弯点处裂缝专项测试。

表1 承载能力极限状态正截面抗弯强度检算结果kN·m

静载试验评估结果如下:

1)跨中截面承载能力测试

实测预应力连续箱梁第1跨0.4L处、第2跨跨中底板各测点应变整体变化均匀，未出现突变、退化现象，与荷载效率有良好的线性关系，线性相关系数在0.990 8～0.991 7，最大荷载效率分别为1.02，1.01。表明梁体跨中在试验荷载作用下未出现开裂现象，梁体抗裂性能满足要求。

实测预应力连续箱梁第1跨0.4L处、第2跨跨中底板平均应变分别为37×10－6，38×10－6，理论值分别为50×10－6，36×10－6，应变校验系数分别为0.74，1.05，基本满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)中预应力混凝土结构应变校验系数＜1.0的要求。

实测预应力连续箱梁第1跨0.4L处、第2跨跨中位置挠度值分别为 2.26，2.07 mm，理论值分别为3.15，2.28 mm，挠度校验系数为 0.72，0.91，均满足JTG/T J21—2011中预应力混凝土结构变形校验系数＜1.0的要求。但结合相关试验经验，同类预应力混凝土桥梁挠度校验系数一般在0.7～0.8，因此该预应力连续箱梁桥整体刚度偏低。

2)墩顶截面承载能力测试

实测预应力连续箱梁第1跨1#侧墩顶位置底板受压平均应变为－17×10－6，理论计算为－20×10－6，应变校验系数为0.85，满足 JTG/T J21—2011中预应力混凝土结构应变校验系数＜1.0的要求。

3)反弯点处裂缝专项测试

选择开裂较为严重的第2跨2#墩侧反弯点处腹板进行静载试验，测试截面测点布置见图3，测试结果见表2。

图3 测试截面测点布置 (单位:cm)

表2 测试截面实测应变 ×10－6

由表2可知，除绝对值较小的测点外，其余测点卸载相对残余应变均较小，满足 JTG/T J21—2011中关于测试截面主要测点相对残余应变不超过20%的要求。在整个加载过程中各测点应变变化规律一致，未出现异常变化的情况，说明测试截面在整个加载过程中处于良好的弹性工作状态。

截面正弯矩测试中，实测梁体下翼缘受拉平均应变为40×10－6，理论计算值为18×10－6，应变校验系数为2.22，应变校验系数不满足 JTG/T J21—2011中预应力混凝土结构应力校验系数＜1.0的要求。

截面负弯矩测试中，实测梁体下翼缘受压平均应变为－42×10－6，理论值为－15×10－6，应变校验系数为2.8，应变校验系数不满足JTG/T J21—2011中预应力混凝土结构应变校验系数＜1.0的要求。

根据实测应变，可推算出截面下缘钢筋在活载作用下的应力幅为32.8 MPa。

3 结构病害成因分析

综上分析，试验跨梁体跨中及墩顶截面受力基本能满足设计荷载的正常使用要求，梁体整体刚度偏低;但反弯点处测试截面应变相对非开裂截面应变有明显增大的现象，且裂缝附近应变存在滞后及退化的现象，说明目前结构表面裂缝为受力裂缝。

裂缝出现与以下两方面的原因有关:

1)由于桥梁原设计中反弯点处预应力钢筋布置不合理，在反弯点处重心偏高且较集中，造成反弯点附近抗弯、抗裂强度不够，梁体开裂，整体刚度偏低。

2)由于桥梁施工工艺欠佳或养护不当，造成梁体于施工接缝处收缩开裂，并在后期进一步发展。

4 结语

由于桥梁设计中反弯点处预应力钢筋布置不合理、施工工艺欠佳或养护不当，可能会造成反弯点附近、施工接缝附近梁体开裂，需引起设计人员和养护人员高度重视。

［1］严国兵，高岩，王石磊.预制小箱梁受力性能评估及特殊病害成因分析［J］.铁道建筑，2013(8):1-5.

［2］陈韵，刘伯奇.预应力混凝土连续箱梁加宽改造后安全评估［J］.铁道建筑，2015(6):24-26.

［3］中华人民共和国交通部.JTJ 021—89 公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，1989.

［4］中华人民共和国交通部.JTJ 023—85 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，1985.

［5］中华人民共和国交通部.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［6］中华人民共和国交通部.JTG/T J21—2011 公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

(责任审编 郑 冰)

U448.21+3

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.06

2015-05-11;

:2015-09-27

冯海龙(1988— )，男，硕士。

1003-1995(2015)11-0021-03