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低高度混凝土桥梁裂缝病害分析及处置措施

日期：2015-9-14 14:37:30　来源：互联网　浏览数：
　

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广梅汕铁路京九线及畲汕线部分先张预应力和普通低高度混凝土简支梁桥经过长时间的使用后，梁身多处出现裂纹，并且相当一部分裂纹较为严重，部分裂缝宽度已明显超过了现行铁路桥梁鉴定规范的要求。从目前情况看，出现上述情况的主要原因不是很清楚，简支梁梁身裂纹宽度、深度和长度是否继续扩展也是未知数。实际上，当先张预应力和普通低高度混凝土简支梁桥的梁身裂纹宽度超出一定范围时，会出现砼保护层剥落、钢筋锈蚀、砼碳化等严重病害，降低桥梁的持久强度，严重影响了其结构的耐久性和安全性。
    结构的破坏和倒塌也是从裂缝扩展开始的。事实上，裂缝的扩展是结构物被破坏的初始阶段，同时，有些裂缝的出现也会严重威胁结构的承载力。自混凝土技术应用以来，不断与裂缝作斗争，工程界一直都非常关注温度和荷载的变化对混凝土裂缝造成的影响。
    低高度混凝土桥梁裂缝的出现，一方面会影响桥梁结构的承载力；另一方面也会降低桥梁结构的耐久性。目前，国内对先张预应力和普通低高度混凝土简支梁桥裂纹成因机理的分析仅局限于定性的分析，并没有进行一些定量的力学数值分析。
    根据现场调查和检测、试验数据，结合有限元分析结果，提出了该类结构裂纹的整治措施，以防止结构裂纹继续扩展，达到消除结构中不安全因素的目的。
    1 研究现状及意义
    目前，对低高度混凝土桥梁裂缝的主要处置方法有以下几种：表面处理法、填充法、灌浆法、表面喷涂法、结构补强法、粘贴钢板封闭法、因碱骨料开裂的混凝土裂缝修补和粘贴CFRP布加固法等。
    裂缝处置和加固的方法种类较多，但是，从裂缝的受力角度看，裂缝分为受力性裂缝和非受力性裂缝。受力性裂缝不仅会影响结构的耐久性，还会威胁结构的承载能力。针对受力性裂缝，表1 中列出了目前常用的处理方法及其优缺点。

    2 裂缝病害分析
    为了科学地分析低高度混凝土桥梁裂缝病害，从现场收集部分较为严重的桥梁缝数数据，并将数据进行有限元分析、处理，四种桥梁结构的典型裂缝病害特征如表2 所示。

    根据各类桥梁的病害特征，分析出现裂缝的具体原因。
    2.1 20 mRC 低高度梁裂缝病害分析
    2.1.1 腹板靠近马蹄处和马蹄处纵向裂通裂缝
    这类裂缝为受力性裂缝。从裂缝形态看，裂缝纵向贯通，主要出现在马蹄侧面、腹板中下部。有限元计算说明，在荷载作用下，腹板中下部和马蹄主拉应力已经超过了混凝土的抗拉强度。在温度作用下，靠近主筋部位处的混凝土薄弱部位最先开裂，释放变形能，从而形成腹板靠近马蹄处和马蹄处纵向裂通裂缝。
    2.1.2 梁体翼板底部纵向裂通裂缝
    这类裂缝为非受力性裂缝。从裂缝形态看，裂缝纵向贯通，主要出现在翼板底的中部。有限元计算结果说明，在荷载作用下，此结构不可能开裂。现场调查发现，碱骨料病害现象并不明显。裂缝与结构构造有关，属于受养护温度影响所产生的自应力裂缝类型。虽然1985 规范中增加了翼板宽度，但是，翼板厚度增加是有限的。在养护温度影响下，由于钢筋材料与混凝土膨胀系数有差别，使得拉应力沿钢筋分布较大。当拉应力超过混凝土强度和抗拉强度时，即形成了梁体翼板底部纵向裂通裂缝。
    2.1.3 支座两端局部网格状裂缝
    这类裂缝为非受力性裂缝，属于养护不当造成的混凝土收缩裂缝。
    2.1.4 变截面腹板延伸至支点马蹄处斜裂缝
    这类裂缝为受力性裂缝，支点处的裂缝宽度大于腹板处的裂缝宽度。有限元计算说明，在荷载作用下，支点处主拉应力超过了混凝土的抗拉强度，从而形成了与主拉应力垂直的斜裂缝。
    2.2 20 mPC 低高度梁裂缝病害分析
    2.2.1 腹板中部和马蹄处纵向裂通裂缝
    这类裂缝为受力性裂缝。从裂缝形态看，此类裂缝纵向贯通，主要出现在马蹄侧面和腹板中下部。有限元计算说明，在荷载作用下，马蹄和腹板中下部主拉应力满足混凝土抗拉强度的需要。在温度作用下，靠近主筋部位的混凝土薄弱部位最先开裂，并释放变形能，从而形成了腹板中部和马蹄处纵向裂通裂缝。
    2.2.2 梁体翼板底部纵向裂通裂缝
    这类裂缝为非受力性裂缝。从裂缝形态看，裂缝纵向贯通，主要出现在翼板底的中部。有限元计算结果说明，在荷载作用下，该处结构不可能开裂。现场调查发现，碱骨料病害现象并不明显。
    裂缝与结构构造有关，属于受养护温度影响所产生的自应力裂缝类型。虽然1985 规范中增加了翼板宽度，但是，翼板厚度增加是有限的。在养护温度的影响下，由于钢筋材料与混凝土膨胀系数有差别，使得拉应力沿着钢筋分布较大。当拉应力超过混凝土强度和抗拉强度时，就会形成梁体翼板底部纵向裂通裂缝。   2.2.3 底板由支座至跨中局部纵向裂缝
    这类裂缝为受力性裂缝。裂缝主要受预应力、截面尺寸的影响较大。这类裂缝病害主要是因为在预制过程中，施工和养护不当而造成的。
    2.2.4 变截面腹板延伸至支点马蹄处斜裂缝
    这类裂缝为受力性裂缝。腹板处裂缝宽度大于支点处的裂缝宽度。有限元计算说明，在荷载作用下，支点处的主拉应力能满足混凝土抗拉强度的需要。裂缝主要受温度、预应力和收缩的影响，一方面，这类裂纹在预制过程中，养护温度过高使得腹板收缩过大，产生沿腹板的斜裂缝；另一方面，由于低高度先张梁高低，截面惯性矩小，预应力筋采用直线配置，上翼缘拉应力大，受徐变的影响，形成了由腹板延伸至支点马蹄处的斜裂缝。除此之外，梁高低，下梗肋处折角应力集中现象突出，也是出现这类裂缝的原因。
    2.3 16 mPC 低高度梁裂缝病害分析
    2.3.1 变截面腹板延伸至支点马蹄处斜裂缝
    这类裂缝为受力性裂缝，腹板处裂缝宽度大于支点处裂缝宽度。有限元计算说明，在荷载作用下，支点处主拉应力满足混凝土抗拉强度需要。裂缝主要受预应力、温度和收缩条件的影响，一方面，这类裂纹在预制过程中，养护温度过高，导致腹板收缩过大，产生沿腹板斜裂缝；另一方面，由于低高度先张梁梁高低，截面惯性矩小，且预应力筋采用直线配置，其上翼缘拉应力大，受徐变的影响，形成了由腹板延伸至支点马蹄处的斜裂缝。除此之外，梁高低，下梗肋处折角应力集中现象突出，也是出现这类裂缝的原因。
    2.3.2 梁体翼板底部纵向裂通裂缝
    这类裂缝为非受力性裂缝。从裂缝形态看，这类裂缝纵向贯通，主要出现在翼板底的中部。有限元计算结果说明，在荷载作用下，此处结构不可能开裂。现场调查表明，碱骨料病害现象并不明显。该裂缝与结构构造有关，属于受养护温度影响所产生的自应力裂缝类型。虽然1985 规范中增加了翼板宽度，但是，翼板厚度增加是有限的。在养护温度影响下，由于混凝土与钢筋材料膨胀系数有差别，使得拉应力沿钢筋分布较大。当拉应力超过混凝土强度和抗拉强度时，形成了这类纵向裂通裂缝。
    2.3.3 梁体下翼缘龟裂
    这类裂缝属于非受力性裂缝，主要是在预制过程中，养护不当造成的收缩裂缝。
    2.4 12 mRC 低高度梁裂缝病害分析某桥为现浇型12 mRC 低高度梁。有限元分析说明，该桥受拉侧混凝土最大拉应力超过了规范的要求，属于典型的带裂缝工作结构。无损检测表明，其混凝土强度略低于规范要求，严重影响了结构的承载力；保护层厚度小于规范值，会影响结构的耐久性。结构自振频率偏低，说明结构承载能力储备不足，建议换梁。
    3 裂缝处置措施
    针对以上四种桥梁的裂缝病害，建议采用以下处置措施：
    ①对于12 mRC 低高度梁，检测和计算分析结果说明，该结构施工质量差，承载能力储备不足，建议换梁。②对于其他三类桥梁，检测和计算分析结果说明，既有结构的碳化深度、混凝土强度和结构构造均能满足1985 规范要求，但是，保护层厚度低于2005 规范中提出的要求。同时，由于1985 规范在桥梁构造上提出了一些新的要求，使得翼板和梗肋处易产生应力集中型裂缝。目前，既有结构梁体工作性能基本正常，能满足承载力的需求。但是，部分裂缝开裂严重，并有继续发展的趋势，严重影响了结构耐久性，建议予以整治，并跟踪观察。