桥面未铺装状态下带裂缝现浇箱梁承载力试验评估研究

刘世建 卓小丽 杨雨厚

（广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007）

在桥梁施工过程中，桥梁主要承重结构出现裂缝、承载能力不明确时，承载力试验研究具有重要意义。桥梁承载能力试验评估方法多种多样，主要有结构检算法、荷载试验法、基于可靠理论的方法、实桥调查分析法、专家经验法等[1-3]。近年来，黄雪钦通过荷载试验方法对空腹式双曲拱桥承载能力进行了研究[4]；赵晓辉等人对凝土梁采用体外预应力加固后结构承载能力进行了研究[5]；葛东云利用分段处理法改进了加筋板轴压极限承载的工程算法，并应用于实际工程[6-7]。然而，这些方法主要适用刚刚建成或服役期内的桥梁，理论方式对裂缝的模拟与实际情况吻合不佳，成桥状态下结构受力显然与施工各阶段有关，不同施工阶段结构的受力各不相同，如何准确评价施工阶段出现裂缝的桥梁承载力是否满足要求，是我们需要研究的一个方向。本文对一工程实例中的荷载试验方法进行了研究，基于相关规范要求，通过对桥面铺装层未施工状态下桥梁混凝土强度、刚度及荷载作用下裂缝发展趋势，结合规范限值，对裂缝变化情况进行评价。得到了一种带裂缝现浇箱梁承载力试验的等效加载方法。有助于准确判断施工裂缝对结构的影响程度，对于施工过程中发现施工裂缝后的快速反应提供了一个新的思路，保障了桥梁施工阶段安全、提高了经济效益。

一、背景工程

某市政桥梁位于某市的中欧产业园，南北走向，1#跨和2#跨依次跨越一条二级公路和一条高速。桥梁为左右幅结构分离的等截面箱梁桥，单幅桥宽8.50m，两幅之间净距0.50m。桥梁跨径总长111.40m，上部结构跨径组合为（28.9+35.0+24.0+23.5）m，为预应力混凝土现浇箱梁（支架现浇），单箱单室，梁高1.7m，梁体混凝土为C50。桥台采用重力式桥台，基础采用桩基础；桥墩采用钢筋混凝土方柱墩，基础采用桩基础。桥面铺装采用8cm厚C50混凝土＋防水层＋9cm沥青混凝土。支座采用盆式支座，1#和4#桥台桥面处各设置一道E-80型伸缩缝。混凝土箱梁横断面布置如图1。

主要技术标准如下：

（1）设计荷载等级：城-A级；

（2）单幅桥宽布置：8.50m=0.50m（防撞护栏）+7.50m（行车道）+0.50m（防撞护栏）；

（3）桥面横坡：双向2.0%。

桥梁在完成箱梁混凝土浇筑、张拉了箱梁预应力筋后，发现箱梁顶板的顶面出现的较多网状裂缝，左右幅均有，缝宽0.04～0.20mm之间，缝深大多在1.0～2.5cm范围，个别缝深达到4.0cm，分布没有规律。箱梁分两次浇筑，第一次浇筑的底板和腹板，第二次浇筑顶板，底板和腹板未出现裂缝。初步判断，因水泥供货紧张，浇筑箱梁顶板的水泥刚生产出来就运至施工现场拌合站，水泥本身的温度还较高，未完成达到安定期，就进行拌合浇筑，加上随后的养护工作也没到位，以致顶板出现较多网状裂缝。现浇箱梁裂缝出现后，采用回弹法、钻芯取样方法对箱梁底板和腹板混凝土强度进行了检测，混凝土强度均满足设计要求。现需要确定顶板开裂后，桥梁的承载能力是否还满足设计荷载城-A级的要求，才能进行后续的桥面铺装和护栏的施工，用荷载试验是最有效最直接的验证方法。

图1 现浇箱梁横截面布置示意图（单位：cm，试验时铺装层和护栏未施工）

二、试验评估方法

（一）试验评估依据

本项目工程属于城市桥梁，根据《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJJ/T 233-2015）的规定，鉴定性荷载试验，静力荷载试验效率应大于或等于0.95，且不得大于1.05，静力荷载试验效率按下式计算[8-9]：

（1）中：ηs— 静力荷载试验效率；

Sstat—在加载重车荷载作用下，试验控制截面的最大弯矩；

Sg—桥面铺装层和护栏恒载作用下，试验控制截面的弯矩；

Sk—汽车荷载作用下，控制截面的弯矩（未包括汽车冲击力产生的弯矩）；

μ—设计冲击系数。

（二）有限元计算

选取有网裂较严重的的东福1#和2#跨进行荷载试验，以判断箱梁整体和开裂处局部承载能力是否满足设计荷载等级要求。采用配重卡车进行等效加载，箱梁整体承载力以弯矩作为控制参数，裂缝处局部以裂缝的实际加载变化情况来分析[10-11]。试验时桥面铺装层中8cm厚C50混凝土调平层和9cm厚沥青混凝土、防撞护栏均尚未施工，因此，试验的等效弯矩计算效应值除包含汽车荷载外，也需包含桥面铺装和防撞护栏等效弯矩值。

如图2所示，采用限元软件MIDAS/Civil对1#跨～4#跨进行结构分析，全桥共建立379个节点，366个梁单元，弹性连接模拟墩柱与主梁之间的约束，活动铰支座设置于1#墩，其它支座为固定铰支座。设计活载作用下结构竖向变形及箱梁下缘应力情况见图3和图4，其中结构竖向挠度最大为-14.12mm,下缘最大拉应力和压应力分别为6.33MPa和-5.23MPa，根据公式（1），即在承载力现场试验时需要达到相应设计活载作用下结构的效应值。

图2 东幅（1#跨～4#跨）有限元模型示意图

图3 东幅（1#跨～4#跨）设计活载作用下竖向挠度计算图

图4 东幅（1#跨～4#跨）设计活载作用下箱梁下缘应力计算图

（三）试验评估内容

1.荷载试验工况

荷载试验安排6个试验工况，包括正载、偏载和箱梁顶板该跨较宽裂缝处局部加载工况，其中偏载工况偏于路线东侧。控制截面布置见图5，各工况及加载效率见表1。

表1 荷载试验工况及静力荷载试验效率表

图5 东幅1#跨和2#跨试验控制截面布置示意图（单位：cm）

2.挠度测点

挠度测点布置在桥面，采用精密水准仪进行观测。纵桥向布置在试验跨的四分点，1#跨控制截面A1也作为挠度测试截面。横桥向考虑箱梁刚度较大，在左右侧各布置一个测点。纵桥向挠度测点布置如图6，纵桥向挠度测点布置如图7。

图6 挠度测点纵向布置示意图（单位：cm）

图7 挠度测点横向布置示意图（单位：cm，试验时铺装层和护栏未施工）

3.应变测点

应变测点布置在桥梁底部，采用自带温度补偿的应变片进行测试。纵桥向布置在试验跨的控制截面A1、Z1和A2处，如图5。横桥向应变测点布置如图8。

图8 应变测点横向布置示意图（单位：cm，试验时铺装层和护栏未施工）

4.裂缝测点

在控制截面A1和A2附近各标记5条有代表性的裂缝，在相对应的试验工况加载时，观测其是否有扩展，并检查控制截面附近是否有新的裂缝出现。

在试验跨跨中附近各选取一条缝宽在0.15mm以上、缝深接近4.0cm的纵向裂缝，分别编号为LF1和LF2，试验时利用既定重车纵向布置，轴重20吨的其中一轮位直接加载于裂缝处，采用裂缝测宽仪对缝宽进行动态测试，判断裂缝扩展和恢复情况满足规范要求，测点布置如图9。

三、试验评估结果分析

（1）挠度测试结果分析

根据最不利原则，对受力相对不利的1#跨进行分析。如图10，在各试验工况下，控制截面挠度的校验系数在0.654～0.669之间，均小于1.0，说明试验跨的整体刚度满足要求；且各工况下最大相对残余挠度为6.5%，小于20%，说明结构在等效荷载作用下处于弹性受力状态。

图9 裂缝测点布置图

图10 工况1和工况2满载时挠度校验系数图

（2）应变测试结果分析

如图11，在各试验试验工况下，根据各测点应变校验系数计算出控制截面应变平均值的校验系数，其值在0.665～0.798之间，均小于1.0，说明试验跨的整体强度满足要求；且各工况下最大相对残余应变分别为3.5%，远小于20%，说明结构在等效荷载作用下处于弹性受力状态。

图11 各工况满载时各测点应变校验系数图

（3）裂缝变化情况分析

各工况1～工况4加载过程中，控制截面附近标记的裂缝未见扩展，同时未见有新的裂缝产生。工况4下的LF1和工况5下的LF2变化情况见表2。考虑裂缝为非受力裂缝，其缝宽未超过0.20mm，加载时裂缝宽度变化微小，卸载后恢复原状，缝宽和缝长均未扩展。因此，裂缝测试结果满足规范要求。

表2 工况4下的LF1和工况5下的LF2变化情况表

四、结论

本文采用重卡车对网裂较严重的东幅1#跨和2#跨进行等效加载试验，通过对桥面铺装层未施工状态下桥梁混凝土强度、刚度及荷载作用下裂缝发展趋势的评估研究得到了一些有益结论：

（1）在各试验工况下，各对应的控制截面以及各测试截面挠度校验系数均小于1.0，说明箱梁的整体刚度满足要求；各控制截面各测点应变值以及应变平均值的校验系数均小于1.0，说明箱梁整体强度满足要求；所有工况下最大相对残余挠度和最大相对残余应变均小于20%，说明结构在等效荷载作用下处于弹性受力状态；（2）在箱梁整体性的试验工况下，箱梁表面裂缝长度未见扩展，没有新的裂缝产生；裂缝在局部加载工况下，裂缝的动态变化满足规范要求；（3）桥面铺装层未施工状态下桥梁的承载能力确定时，通过等效加载的方式代替设计荷载，这种方法易于实现，且偏于安全；（4）带裂缝现浇箱梁承载力试验的等效加载方法，有助于准确判断施工裂缝对结构的影响、提高施工安全及经济效益。