预应力混凝土连续箱梁病害评估及成因分析.pdf

2 0 1 5年第 1 1期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 21 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 1 1 0 0 2 1 0 3 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 ， 北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要 ： 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。 关键 词 ： 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 中 图分类 号 ： U 4 4 8 2 1 3文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 1 1 0 6 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 ( 2 5+2 5+2 6 6 1 +3 3 3 9+2 5+2 5 ) m， 桥 宽 1 4 5 IT I ， 横向布置为 1 5 I n ( 绿化带)+1 2 2 5 m( 机 动车道)+ 0 7 5 m( 防撞栏杆) 。主梁预应力筋采用规 格为 9 - 4 , 1 5 2 4 m m 的低 松弛钢 绞线 ， 张拉 控制应力 1 3 0 2 MP a 。箱 梁及 混 凝 土铺 装 层 采 用 4 0号 混 凝 土 。 结构跨中横截面见 图 1 。 1 2 2 5 1 5 0 1 0 c m 筐 E I 一 ! ! 三 4 图 1 结构跨 中位置横截面 ( 单位 ： c m) 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 收稿 日期 ： 2 o 1 5 - 0 5 1 1 ； 修回 日期 ： 2 o 1 5 0 9 - 2 7 作者 简介 ： 冯 海龙( 1 9 8 8 一) ， 男 ， 硕 士。 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( J T G T J 2 l 一2 0 l 1 ) 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 m m， 部分裂缝 已延伸 至底板 ， 空间呈 L形。梁体裂缝状况见图 2 。 一 图 2 梁体 裂缝 状况 2 2 铁道建筑 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 1 5 0 3 ， 1 9 9 3 m m。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 ( J T J 0 2 3 8 5 ) 及现行规范 公路桥涵设计通用 规范 ( J T G D 6 0 -2 0 0 4 ) 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 汽车一 超 2 0级 、 挂 车一1 2 0 ， 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 汽车一 超 2 0级 、 挂 车一 1 2 0考虑 。其 中 ， J T J 0 2 3 8 5 温度 效应 按 顶 板 升 降 温 5 考 虑 ， J T G D 6 0 -2 0 0 4规 范温 度效 应按 照温 度梯 度模 式考 虑 。 1 ) 按 J T J 0 2 3 8 5进 行结 构检 算 在 J T J 0 2 3 8 5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 V 3 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下 ， 结构 检 算结果均满足 J T J 0 2 3 8 5要求 。 2 ) 按 J T G D 6 0 -2 0 0 4进行 结构 检算 在 J T G D 6 0 -2 0 0 4以及 J T J 0 2 3 8 5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 MI D A S 。 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 J T G D 6 0 -2 0 0 4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 注 ： 为跨 度 。 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 4 L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 9 9 0 8 0 9 9 1 7， 最 大 荷 载 效 率 分 别 为 1 0 2 ， 1 0 1 。 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 4 L处 、 第 2跨 跨 中 底板平均应变分别为 3 7 x 1 0 一， 3 8 x 1 0一， 理论值 分 别为 5 01 0， 3 61 0 一， 应 变校 验 系数 分 别 为 0 7 4 ， 1 0 5 ， 基本 满 足 公 路 桥 梁 承 载 能 力 检 测 评 定 规 程 ( J T G T J 2 1 2 0 l 1 ) 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 4 L处 、 第 2跨 跨 中 位置 挠 度 值分 别 为 2 2 6 ， 2 0 7 mm， 理论 值 分 别 为 3 1 5 ， 2 2 8 mm， 挠 度 校 验 系 数 为 0 7 2 ， 0 9 1 ， 均 满 足 J T G T J 2 1 2 0 1 1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 一1 71 0， 理 论计 算 为 一 2 01 0， 应变 校验 系数 为 0 8 5 ， 满 足 J T G T J 2 1 2 0 1 1中预 应 2 0 1 5年第 1 1期 冯海龙 等 ： 预应力混凝土连续箱梁病 害评估及成 因分析 2 3 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 外侧 图 3测试截 面测 点布置 ( 单位 ： e m) 表 2测试截面实测应变 1 0 注 ： 前 4级为正 弯矩测 试等 级 ， 第 5级为最 大 负弯矩 测试 等级 ， 正负弯矩测试一次卸载 。 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 J T G T J 2 1 2 0 1 1中关 于测试 截 面 主要 测 点 相 对 残 余 应 变 不 超 过 2 0 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 4 0 x 1 0， 理论计算值 为 1 81 0 ， 应变校验系 数 为 2 2 2 ， 应 变校 验 系 数 不 满 足 J T G T J 2 1 2 0 1 1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 一 4 21 0， 理论值为 一1 51 0 ， 应变校验系数 为 2 8 ， 应 变 校验 系数不 满足 J T G T J 2 1 2 0 1 1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 3 2 8 MP a 。 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 。 参 考 文 献 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 ， 2 0 1 3 ( 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 ， 2 0 1 5 ( 6 ) ： 2 4 2 6 3 中华人 民共 和国交通部 J T J O 2 1 8 9 公路 桥涵设计 通用 规范 S 北京 ： 人 民交 通出版社 ， 1 9 8 9 4 中华人 民共 和国交通部 J T J O 2 3 8 5 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 ， 1 98 5 5 中华人 民共 和国交通 部 J T G D 6 0 -2 0 0 4 公 路桥涵设计通 用规范 s 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 4 6 中华人 民共 和国交通部 J T G T J 2 1 2 0 1 1 公路桥 梁承载 能力检 测评 定规程 S 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 1 1 ( 责任 审编 郑冰)