先张法预应力混凝土空心板梁梁端裂缝状态评估与加固.pdf

2 0 1 4年第 1 1期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 29 文章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 1 1 0 0 2 9 0 4 先 张法预应 力混凝土 空心板梁梁端 裂 缝状 态评估与加 固 徐毅 ， 高 岩 ， 袁磊 ( 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 ： 先 张 法预 应 力 空心板 梁因为 施 工工 艺简单 、 施 工质 量 容 易控 制 等特 点 ， 在 桥 梁建设 中应 用非 常 广 泛。随着服役 时间的增长以及交通量的 日益增加 ， 先张法预应力空心板梁桥产生了各种不同的病害， 给 交通 安全 带 来 了隐 患。一城 市快速路 高架桥 先 张法预 应 力 空 心板 梁梁 端斜 向开 裂 ， 最 大 裂缝 宽度 达 到 1 0 m m， 梁体存 在脆 性破 坏风 险。对 其进 行 了荷 栽 试验 评 估 ， 并 依 据评 估 及 计 算 结 果采 用 了增 大 梁 端 截面的梁体加 固方案。计算分析表明， 梁体加固后 可满足规范要求。 关 键 词 ： 先张 法 空心板 梁 梁端斜 裂 状 态评估 中 图分类 号 ： U 4 4 5 7 2文献标 识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 1 1 0 9 1 先张法预应 力空心板 梁常见病害及原 因 先 张 法预应 力 空心 板梁 应用 非 常广 泛 。由于 交通 量 日益增 加 和车辆 超 限 超 载 现象 泛滥 ， 早期 建 成 通 车 的一 大批 先张 法预 应力 空心 板梁 桥 出现 不 同程度 的结 构 老化 、 破 损 、 变形 加大 、 开裂 等严 重病 害 ， 导致 桥 梁 的 持荷能力明显下降， 有相当一部分成为危桥。 先 张 法预 应 力 空 心 板 梁 桥 在 运 营 阶段 常 见 病 害 如下 ： 1 ) 支座 附近板 底八 字形 裂缝 此 类 裂缝 主要 是 由于 梁端 没 有 封 端 混 凝 土 ， 在 上 部 活 载作 用下 ， 支 座 附近 板 底 混 凝 土 主拉 应 力过 大 而 产生 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 0 6 ； 修 回日期 ： 2 0 1 4 0 8 1 0 作 者 简 介 ： 徐 毅 ( 1 9 8 9 一) ， 男 ， 江 苏 徐 州 人 ， 研 实 员 ， 硕 士 。 2 ) 跨 中底 板横 向裂 缝 此类裂缝主要与跨 中区域抗弯承载能力储备不足 有关 ， 通常还伴随着空心板梁铰缝失效等病害。 3 ) 梁 端腹 板斜 向裂缝 此类 裂缝 多产 生 于 等 截 面 先 张 法 预 应 力 空 心 板 梁 ， 由于 梁体未 设 封 端混 凝 土 ， 且 腹 板 厚 度 偏 薄 ， 梁 端 附 近 界 面抗 剪 强 度 不 足 ， 在 活 载 作 用 下 箍 筋 应 力 幅 过高 。 4 ) 梁 体底 板混 凝土 纵 向开裂 、 此类病害多在梁体预制阶段产生。梁体预制时预 应力 放张 过早 ， 混 凝土 强度 尚低 ， 容 易产 生纵 向开 裂及 沿钢 绞线 的细 小斜 向开裂 。尤 其在 夏季 张拉预 应 力束 时 ， 钢绞 线在 暴 晒下 温 度 可达 6 0 o 【 = 左 右 ， 但 混凝 土 浇 筑 时 ， 按 照施 工规 范要 求温 度不 能过 高 ， 在温度 差 的作 用下 ， 钢绞线的应力超过张拉设计值 ， 可能会导致底板 混凝 土纵 向开裂 。 2 c m， 影 响很小 ， 未进 行修 正 。 5 结 语 本 次桥 梁静 载试 验使 用开 口超 大水 袋 蓄水对 桥 梁 进行 加 载 ， 加 载 总水 量达 1 1 0 0 m ， 水深 达 到 2 3 i n ， 实 现难 度较 大 。结 合桥 梁 自身 的 结 构 特 点 ， 采 用 便 捷有 效 的防 护体 系使加 载 得 以顺 利 实 施 ， 试 验 荷 载 效 率 达 到 了 1 0 。这 种 加 卸 载 措 施 投 入 小 ， 试 验 加 卸 载 较 为 快捷 、 方 便 ， 值得 推广 。 参 考 文 献 1 赵尊焘 钢轨加载在梁体静载试验 中的应 用 J 铁道建 筑 ， 2 0 1 3 ( 3)： 1 5 一 l 7 2 张永厚 ， 张永峰 中山市歧 江三桥桥梁静动载试验研究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 6 2 6 4 3 吴建奇 ， 郑晓 ， 张婷婷 桥梁 检测 中的静 载试验研 究 J 铁 道 建 筑 ， 2 0 1 1 ( 2)： 4 2 4 4 4 中华人 民共 和国铁道 部 铁运 函 2 0 0 4 1 2 0号 铁 路桥梁 检定规范 s 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 4 ( 责任 审编 李付军) 3 0 铁道建筑 2 桥 梁 概 况 一 城 市快 速路 高 架 桥上 部 结 构 以采 用 2 0 1 1 3 先 张 法预 应力 空心 板梁 为主 ， 标 准桥 面 宽度 内横 向布 置 1 1 片梁 ， 梁体预制宽度 1 4 1 m， 梁高 0 8 3 m， 挖孔 直径 0 6 0 n ， 梁体顶部设 1 5 e m混凝土整体化层。根据桥 梁竣 工 图 ， 先 张法 空 心板 由预 制 板 和 现 浇桥 面 板 共 同 承受 车辆 荷载 。梁体 采 用 多根 7 6 5 0钢 绞 线 ， 先 张 法 施工 ， 张拉控 制 应 力 1 3 9 5 MP a ， 每 片 梁 端 横 向 布 置 2 个板 式 橡 胶 支 座 。 上 部 结 构 梁 体 横 向 布 置 如 图 1 所 示 图 1 梁体横 向布置( 单位 ： c m) 在 结构 定期 检查 时发 现该 桥部 分桥跨 梁 端腹 板存 在斜 向开裂现 象 ， 裂 缝 最 大 宽 度 达 1 0 lq cl m， 部 分裂 缝 已裂 至底板 ， 内 外 侧 裂 缝 贯 通 ， 空 间 上 呈 U 字 形 。梁 体 裂缝 状况 见 图 2 。 图 2梁体裂缝状况 3结构 病害状态评估 3 1试 验测 试 内容 为 掌握 梁体 的基 本 情 况 和 受 力性 能 ， 主要 开 展 了 以下测 试 ： 1 ) 梁体混 凝 土强 度测试 ； 2 ) 梁端 斜 向开裂 专 项 测试 ， 主要 测 试 在 正 常使 用 荷 载作 用下 梁端 裂缝 的扩 展状 况 ； 3 ) 跨 中截面 承载 能 力 测试 ， 主要 测 试 试 验跨 跨 中 截面梁体承载能力及刚度 ； 4 ) 跨 中截面 横 向力 分 布测 试 ， 主要 测 试跨 中截 面 梁体 横 向联 系状 况 。 3 2梁体 混 凝 土强度 测试 选取 部分 桥跨 典 型梁 片对 其腹板 和底 板 混凝 土强 度 采用 回弹 法进 行 了测 试 ， 实 测 腹 板 混 凝 土推 算 强 度 为 4 1 0 MP a ， 底 板 昆 凝 土 推 算 强 度 为 4 9 9 MP a ， 均 大 于 梁体 混凝 土设 计强 度 ( 4 0 0 MP a ) 。 3 3结构 试 验评 估 1 ) 梁端斜向开裂专项测试 选 择 开裂 严 重 的右 幅 1 0 2 跨 3 梁 1 0 1 墩 端 和开 裂性状典型的右 幅 1 3 3 跨 6 梁 l 3 2 墩端腹板进行荷 载 试验 。 对 于 右 幅 1 0 2 跨 3 梁 ( 腹 板 裂 缝 最 大 宽 度 1 0 mm) ， 在最 大级 试 验荷 载 ( 荷载 效 率 为 0 6 2 ， 原计 划 加 载效率 为 0 8 4 ， 因加 载过 程 中发 现裂 缝 扩 展 较快 而 停止 ) 下 ， 实测 腹板 箍筋 处竖 向最 大拉 应 变为 7 8 0 X 1 0 ， 换算 钢 筋 应 力 为 1 5 6 MP a ， 斜 向最 大 拉 应 变 为 l 6 4 9 X 1 0， 换 算 裂缝扩 展 0 2 4 8 mm。 对 于 右 幅 1 3 3 跨 6 梁 ( 腹 板 裂 缝 最 大 宽 度 0 8 mm) ， 在最 大 荷 载 效 率 为 0 8 4时 ， 实 测 腹 板 箍 筋 处竖 向 最 大 拉 应 变 为 5 3 61 0 I ， 换 算 钢 筋 应 力 为 1 0 7 MP a ， 换 算裂缝 竖 向扩 展 0 0 8 l m m。 2 ) 跨 中截 面承 载能力 测试 实测 空心 板 梁 跨 中 下 缘 各 抗 裂 测 点 整 体 变 化 均 匀 ， 试 验荷 载 作 用 下 各 应 变 测 点 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 3 8 0 9 9 9 9 之 间 ， 表 明 梁 体 跨 中 在 试 验 荷 载 作 用下 ( 最大效率达到 1 0 9 ) 未出现开裂现象， 梁体抗裂 性 能 满足 要求 。 实测 9 1 1 梁跨 中下 缘 平 均 应 变 分别 为 1 3 8 l 0 ， 1 3 21 0， 1 2 41 0 一， 理论计算值分别为 2 1 0 1 0一， 2 3 01 0 ， 2 3 81 0 ， 相 应 校 验 系 数 分 别 为 0 6 5， 0 5 7 ， 0 5 2 ， 均 满 足 公 路 桥 梁 承 载 能 力 评 定 规 程 ( J T G T J 2 1 2 0 1 1 ) 规定 的预应 力混凝土结 构应 变校 验系 数 1 0的要求 。 实测 9 1 1 梁 挠 度 值 分 别 为 9 3 9 ， 9 1 2 ， 7 9 0 m lT l ， 理论 计算 值分 别 为 1 2 6 4 ， 1 2 6 8 ， l 2 1 8 m m， 相应 校验 系 数 分 别 为 0 7 4， 0 7 2 ， 0 6 5 ， 均 满 足 公 路 桥 梁 承载能 力评 定 规 程 规定 的预 应 力混 凝 土 结 构 变 形校 验系数 1 0的要求 。 3 ) 跨 中截 面横 向力分 布测 试 在右 幅 1 3 3 跨 各梁 跨 中截 面布 置 挠 度 测点 ， 测 试 梁体在不同加载轮位作用下的变形值。通过梁体实测 横 向影响线与理论计算横 向影响线的对 比表 明， 梁体 受 力横 向对 称性 良好 ， 未 发 现试 验 跨 梁 体 横 向 联 系异 常； 梁体横 向受力规律与理论计算受力规律基本一致 ， 与考 虑铺装 参 与梁体 受力 工况 接 近 。 4 ) 试验 评估 结果 通过试 验 测试 ， 试验 桥跨 ( 右 幅 1 3 3 跨 ) 跨 中截 面 2 0 1 4年第 1 1期 徐毅等 ： 先张法预应力混凝土 空心板梁梁端裂缝状态评估与加 固 受力能满足设计荷载 的正常使用要求 ， 但梁端截面开 裂后箍筋 ( 右幅 1 3 3 跨 6 梁 、 右幅 1 0 2 跨 3 梁) 在试验 荷载作用下应力幅值较大 ， 箍筋存在疲劳断裂 的可能。 综合而言 ， 本桥梁体的关键受力性能指标不满足 评定规程和设计规范要求 ， 存在较大运营安全隐患 ， 需 对桥 梁进 行 加 固。 4结构病 害原 因分析 从对主梁原设计状态分析结果来看 ， 分别考虑桥 面铺装 7 5和 1 3 0 e m参与梁体受力 时， 主梁正截面 抗弯强度 、 斜截面抗剪强度 、 正 常使用极 限状态跨 中正 应 力和 梁端 腹板 剪 应 力均 满 足 公 路 钢 筋混 凝 土 及 预 应力混凝土桥涵设计规范1 9 8 5年版 ( J T J 0 2 3 8 5 ) 和 2 0 0 4年版( J T G D 6 2 -2 0 0 4 ) 的要求 ， 结构病害 的出 现 主要 有如 下 原 因 ： 1 ) 超载 作 用 。 图 3给 出 了本 桥 先 张 法 预 应 力 空 心 板梁 梁端 病 害在横 向各片 梁 出现 的频 次 ， 可 以看 到 ， 梁 端病 害 出现 频次 以 主车道 和 重车道 对 应 的 4 8 梁 最多 ， 说明本桥梁端病害 的出现与桥面运 营汽车荷载 有 直 接 的关 系 。 八 应急车 道 熏车道 丰车道 超车谱 r 几几 几 几几 几几 I 几 图 3 先张法空心板梁梁端病 害分布频次 根据桥位附近车辆治理超载点 的统计数据 ， 近两 年 超 载车 辆 占受检 车辆 的 7 0 以上 ， 个 别 月 份甚 至超 过 9 5 ， 线路 运 营车 辆 的超 载现 象 非 常 普遍 。与此 同 时 ， 通行车辆的超载幅度很大 ， 部分 5轴或 6轴车辆实 测 总重 超 出其 核 定荷 载 的 3 0 0 以上 。 采用桥梁结构专业分析软件 MI D A S C i v i l 2 0 1 2建 立 空 间杆 系有 限元模 型 ， 考 虑超 载车 与 标 准 车 的 横 向 组合效应 ， 分别按汽车荷载超载 3 0 和 5 0 分析超载 对结构受力的影响。计算结果表明， 无论是超载 3 0 还是 5 0 ， 梁端腹板最大主拉应力均大 于规 范限值 。 上述计算仅考虑 了单辆出现频次较多的 6轴货车混入 车 列 ， 实际 最大 超载 荷载 仍较 该荷 载值 大 ， 且桥 面拥 堵 时 可 能 出现 横 向有 多 辆超 载 车位 于 同一 断 面 的 情 况 ， 超 载 车 作 用 下 产 生 的 梁 端 主 拉 应 力 更 不 满 足 规 范 要求 。 汽车荷载超载使得梁端腹板 主拉应力明显超出设 计 规 范 限 值 ， 是 导 致 本 桥 梁 端 腹 板 斜 向 开 裂 的 首 要 原 因 。 2 ) 早 期 设 计 理念 的偏 差 。早 期 建 成 的 先 张 法 预 应力空心板梁过分追求经济性 ， 梁高较低 ， 截面挖空率 过大 ， 不设封端 ， 不设弯起钢筋 ， 梁端不设变截面 ， 致使 截 面抗 剪 承载力 富余 度不 大 。 3 ) 扭转剪应力 作用。从病 害梁体 的裂缝状态来 看 ， 部分 裂缝 呈扭 转 裂 缝 的特 征 。梁 端 板 式 橡 胶 支 座 整体脱空是产生梁体扭转 的原 因之一 ， 梁端扭转产生 的剪应力也会一定程度上增大梁端腹板 主拉应力 ， 导 致 梁端 腹板 斜 向开裂 。 5 结构 加 固 5 1 梁 体 加 固方案 比选 根 据 梁体试 验 评估 结果 ， 结合 类似 工程 加 固经验 ， 提 出了 3种梁 体加 固方 案 ： 1 ) 增大截面方案， 即在原梁底板和腹板增设钢筋 混凝土结构 ， 增大梁体断面以提高结构抗力 ， 达到降低 梁体箍筋应力幅 、 提高承载力等 目的。该方案对既有 交通的影响较小 ， 仅需在增大截面混凝土养生期 间进 行桥 面局 部交 通封 闭 ， 且造 价较 低 ， 但 施 工工 艺相 对复 杂 ， 对施 工质 量 的要求 较 高 。 2 ) 粘 贴 钢 板 方 案 ， 即在 梁 端 腹 板 上 粘 贴 竖 向 钢 板 ， 底板粘贴纵向钢板对梁体进行加固。该方案对 既 有 交通 的影 响小 ， 无 需封 闭交 通 ， 对 跨 中截 面及下 部结 构受力影响最小 ， 但梁端抗剪承载力提高不 明显 ， 且造 价 较增 大截 面方 案增 加较 多 。 3 ) 加大截面与粘贴钢板结合方案 ， 即对梁端腹板 采取增 大截 面 ， 对底 板 则 采 用 粘 贴 纵 向 钢板 的方 式 进 行 加 固 。该 方 案加 固效 果 和造 价介 于 方 案 1和方 案 2 之 间 。 综合 考 虑对交 通 的影 响 、 技 术经 济性 等 因素 ， 决定 采 用梁端 增 大截 面方 案 对 梁 体 进 行 加 固 ， 并辅 以 其他 措 施提 高梁 体 的耐久 性 。 5 2 梁体 加 固设 计 根据比选分析结果 ， 拟定的梁体加 固范 围及基本 构 造情 况如 下 ： 1 ) 对梁端 4 m长范围增大腹板和底板截面 1 0 c m 厚 ( 受 梁端 空 间 限制 ， 盖梁 范 围 内仅对 腹 板 进行 加 厚 ) ， 如 图 4所示 。 2 ) 增大 的截 面 布设 单 层 钢筋 网 ， 通 过 植 筋 与 原有 腹 板及 翼缘 连 接 。 3 ) 为 了避免截 面突变 导致 的应力集 中， 距 梁端 如 加 m 0 3 2 铁道 建筑 ( a 1 盖粱范 围内截面 ( b ) 盖梁范围外截面 图 4梁体加 固构 造 4 m处 向 跨 中 方 向设 2 0 C IT I 长 的 腹 板 、 底 板 厚 度 渐 变段 。 5 3加 固效果 分析 为掌 握采用 增 大 截 面加 固后 桥 梁 的受 力 状 况 ， 对 加 固效 果 及对桥 梁 的影 响进 行 了分 析 ， 主 要 包 括如 下 几个方 面 ： 1 ) 对梁端抗剪承载力的影响。经计 算， 增大截 面 后 梁端 抗 剪承载 力 比原设 计提 高 了 4 2 。 2 ) 对梁 体跨 中截面受力 的影响。增 大截面增加 了结构 自重 ， 对 跨 中截面存 在 不利 影响 。按 7 5 c m铺 装 参与 结构 受力 计算 ， 增 大截 面后 跨 中正 截 面抗 弯 强 度仍满足 J T J 0 2 3 8 5要求 ， 但边梁跨中截面安全储备 已由原来的 7 2 降低至 3 3 ， 跨中截面下缘拉应力 增 大 0 6 9 MP a ， 其应 力仍 满足 部分 预应 力混 凝土 A类 构 件 的要求 。 3 ) 增 大 截 面后 局 部 受 力 分 析 。增 大截 面 后 空 心 板梁截面在距梁端 4 m处存在突变 ， 建立 A N S Y S空间 实体有限元模型分析梁体在截面突变处 的局部受力 ， 计 算结 果表 明应 力集 中 区域 非 常 小 ， 说 明 增 大 截 面对 截 面突 变段 附近 梁体 的局 部受 力影 响很 小 。 4 ) 对 下 部 结 构 的影 响 。采 用 增 大 截 面 方 案 将 增 加主梁 自重 ， 对下部结构受力也存在一定影响， 因此对 加 固后盖梁 、 墩柱和桩基的受力均进行了验算 ， 验算结 果表明增大截面后下部结构受力仍能满足要求。 6 结 论 本文依托一城市快 速路 2 0 m先张法预应力空心 板 梁 加 固项 目 ， 通 过 荷 载试 验 及 结 构 计 算 ， 得 到 如 下 结论 ： 1 ) 先 张法 预 应 力 空 心 板 梁 梁 端 斜 向开 裂 通 常 都 伴随箍筋活载应力幅值过大 ， 甚至箍筋疲劳断裂现象 。 梁体在产生此类病害后有脆性破坏风险 ， 需引起工程 技 术 人员 高度 重视 。 2 ) 采 用增 大 截 面 法 对 先 张 法 预 应 力 空 心 板 梁 进 行加 固可 降低 箍筋 应力 幅 ， 提 高梁 端抗 剪 承载力 。 参 考 文 献 1 赵华庆 ， 史卫滨 空心板梁底板纵 向裂缝成 因分 析及 加 同对 策 J 铁 道建 筑 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 4 5 2 林源锋 ， 张勇 典型病害空心板梁使用状态评定 及加 固方案 分析 J 铁道建筑 ， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 3 8 4 0 3 中华人民共和 国交 通部 J T J 0 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 文 通 出 版 礼 ， l 9 8 5 4 中华人 民共和 国交通部 J T G D 6 2 -2 0 0 4公路钢筋 混凝土 及预应力混凝 土 桥涵 设 计规 范 S j 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 2 0 0 4 5 刘松涛 ， 杨军 ， 葛忠全 ， 等 由工程实例看部分预应力 混凝土 梁抗剪强度问题 J 东北公路 ， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 4 4 4 5 6 郑玉华 某桥预应力空心 板梁裂缝 原 因分析及 处理 J ， 东土木与建筑 ， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 4 4 4 6 7 李林军 ， 刘群 2 0 m 预应 力混凝 土空 心板静 载试 验 分析 J 铁道建筑 ， 2 0 0 4 ( 7 ) ： 2 7 3 0 8 饶中 ， 蒲广 宁， 李云 大挖 空率预应 力空心 板桥 加 固力 法分 析比较 J 湖南交通科 技 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 1 2 1 1 2 3 ( 责任 审编 李付军) 声 明 本刊重 申： 稿件凡经本刊发表 ， 即视为作者 同意授权本刊代理其作 品电子版信息有线和无线互联网络传播 权 ； 并且本刊有权授权第三方进行电子版信息有线和无线互联 网络传播。本刊支付 的稿费已包括上述使用方式 的费用 。作 者如 不 同意 ， 请 投稿 时 申明 。 铁 道 建筑 编辑 部