連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開裂成因及處治技術(shù)研究 - 交通部西部交通建設(shè)科技項目

1、在用預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開裂成因及處治技術(shù)研究報 告 簡 本1.研究背景與意義預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)起源于第二次世界大戰(zhàn)后的歐洲，德國和法國分別率先把懸臂澆筑和懸臂拼裝這兩種施工技術(shù)運用到預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋梁上。從受力特點上來講，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁抗彎和抗扭剛度大，可以承受較大的正負(fù)彎矩和扭矩作用，特別適合懸臂施工，加上預(yù)應(yīng)力的優(yōu)點，使這種結(jié)構(gòu)型式非常適合用于連續(xù)箱梁和連續(xù)剛構(gòu)等大跨結(jié)構(gòu)。同時預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁和連續(xù)剛構(gòu)橋的造型簡潔美觀，整體性和連續(xù)性好，行車舒適，易養(yǎng)護，施工便利，工藝較為成熟。因此，在世界范圍內(nèi)被廣泛得到使用，在40300m的經(jīng)濟跨徑范圍內(nèi)，此類橋型是最有競爭力的橋型之一。

2、從70年代開始，我國公路上開始修建大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，進入80年代后，預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋和預(yù)應(yīng)力箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋得到了迅猛發(fā)展，現(xiàn)已成為我國大跨度橋梁的主要橋型之一。在我國的高等級公路上修建了大量大跨度預(yù)應(yīng)力箱形截面橋梁，主跨徑達100m的橋梁數(shù)以百計，200m以上的也已超過了30座。但是，在運營過程中預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁的腹板、頂板、底板、橫隔板以及錨固齒板等部位出現(xiàn)了不同形式的裂縫，開裂程度輕重不一。這些裂縫的存在，對結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用產(chǎn)生了十分不利的影響：（1）裂縫出現(xiàn)破壞了結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算假定條件，結(jié)構(gòu)的受力由于剛度變化引起內(nèi)力重分布，一些斷面內(nèi)力增加，導(dǎo)致這些斷面

3、的安全度降低，嚴(yán)重者甚至造成橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。（2）失去混凝土保護的鋼筋會受到空氣中有害物質(zhì)的侵蝕，將加速鋼筋的銹蝕，削弱橋梁的耐久性，縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命，特別是預(yù)應(yīng)力鋼束（筋）的腐蝕屬“高應(yīng)力腐蝕”，其危害性更大。（3）裂縫削弱箱梁的剛度，使箱梁變形增大。國內(nèi)主跨245m的某大橋由于出現(xiàn)了大量裂縫，跨中嚴(yán)重下?lián)?，最大達32cm。目前公路管理部門對于出現(xiàn)大量裂縫的橋梁一般都采取了限載限速的措施，大大削弱了橋梁的使用功能。近年來，我國公路在用預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開裂問題尤為突出，已引起科研、設(shè)計和管理部門的廣泛關(guān)注。迫切需要探明箱梁結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的機理和形成規(guī)律，改進和完善設(shè)計、施工措施，了

4、解箱梁開裂后的使用性能，以及研究相應(yīng)的加固處治方法，為此類橋梁的設(shè)計、施工、養(yǎng)護提供技術(shù)支持。2.研究目標(biāo)本項目在我國預(yù)應(yīng)力箱梁開裂成因分析和處治技術(shù)方面已取得的理論與應(yīng)用成果基礎(chǔ)上，對預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開裂問題進行系統(tǒng)的研究。通過本項目的研究，明確在用預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁典型裂縫的產(chǎn)生原因，探尋先進、經(jīng)濟、實用的預(yù)應(yīng)力箱梁檢測技術(shù)，探討開裂預(yù)應(yīng)力箱梁橋安全性評估方法，并提出實用、有效的預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開裂的防治措施和加固技術(shù)。3.主要研究內(nèi)容及實施方案3.1主要研究內(nèi)容 本項目共分4個專題，各專題包括若干分項，具體如下：專題1：預(yù)應(yīng)力箱梁裂縫調(diào)查及檢測技術(shù)研

5、究(1) 預(yù)應(yīng)力箱梁裂縫調(diào)查(2) 預(yù)應(yīng)力箱梁檢測技術(shù)研究專題2：預(yù)應(yīng)力箱梁開裂成因分析研究(1) 結(jié)構(gòu)參數(shù)的平面分析(2) 箱梁空間效應(yīng)分析(3) 箱梁溫度梯度模式的影響研究(4) 設(shè)計因素影響分析及改進措施研究 (5) 施工因素影響分析及改進措施研究專題3：預(yù)應(yīng)力箱梁開裂后的性能研究(1) 裂縫對預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)剛度、承載力的影響研究(2) 預(yù)應(yīng)力箱梁開裂后結(jié)構(gòu)安全評定指標(biāo)的研究專題4：預(yù)應(yīng)力箱梁維修加固技術(shù)研究(1) 裂縫封閉技術(shù)研究(2) 結(jié)構(gòu)補強技術(shù)研究3.2具體的實施方案專題1的研究實施方案 （1）預(yù)應(yīng)力箱梁裂縫調(diào)查對公路在用預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁在全國范圍內(nèi)進行調(diào)查，了解我

6、國箱梁開裂的基本狀況。一方面為本課題的研究提供全面的資料，另一方面為此類橋梁的養(yǎng)護、加固計劃安排提供依據(jù)。調(diào)查采用“由面到點”兩階段調(diào)查方式，即通過向全國公路有關(guān)部門發(fā)放調(diào)查表進行普查，在此基礎(chǔ)上對典型和狀態(tài)完好的橋梁進行重點調(diào)查，現(xiàn)場檢查箱梁的開裂狀況。普查項目主要有：結(jié)構(gòu)形式、總體參數(shù)、預(yù)應(yīng)力鋼束布置形式和類型、結(jié)構(gòu)變形、裂縫形式和分布、過橋車輛超載情況等方面。在詳細(xì)調(diào)查階段，除現(xiàn)場觀察箱梁內(nèi)外表面裂縫的形態(tài)特征和分布外，補充和核實普查資料，收集有關(guān)橋梁的設(shè)計、施工、監(jiān)理、運營等資料。 對調(diào)查的箱梁裂縫進行分類，了解裂縫特性，歸納出典型裂縫，并對其可能成因進行初步總結(jié)，為下一步的理論分析確

7、定其開裂原因奠定基礎(chǔ)。 （2）預(yù)應(yīng)力箱梁檢測技術(shù)研究 開裂區(qū)混凝土強度檢測開裂區(qū)混凝土強度是指有裂縫存在，其間距足夠大的區(qū)域混凝土，在受壓達到破壞極限時的應(yīng)力值，為分析預(yù)應(yīng)力箱梁開裂成因和加固設(shè)計提供依據(jù)。在通過比較分析后，選擇回彈法、超聲回彈法、針貫入法開展模型試驗。在模型開裂前后分別用上述方法進行掃描式檢測，經(jīng)過數(shù)據(jù)的回歸分析、誤差分析、強度推定，分析裂縫對檢測的影響因素及研究減小其影響的措施，確定實用的檢測方法并編制檢測技術(shù)應(yīng)用指南。 預(yù)應(yīng)力筋定位及管道壓漿狀況檢測技術(shù)研究充分了解目前國內(nèi)外現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力筋定位及管道壓漿試驗檢測方法和手段，對不同檢測方法和手段進行對比，分析其在橋梁測試中的

8、可行性；并通過模型或?qū)崢蛟囼?，檢驗、分析超聲法、雷達探測法、沖擊回波法、紅外線法、射線法、放樣測試法的檢測效果及影響因素，提出經(jīng)濟、便捷、實用的檢測方法。 豎向預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力檢測技術(shù)研究調(diào)查目前國內(nèi)外豎向預(yù)應(yīng)力體系及有效預(yù)應(yīng)力檢測方法和手段，對比分析后選擇再張拉法進行實橋試驗，研究各種影響因素，建立實測數(shù)據(jù)與有效預(yù)應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系，實現(xiàn)有效預(yù)應(yīng)力的檢測。專題2的研究實施方案 （1）結(jié)構(gòu)參數(shù)的平面分析 根據(jù)箱梁裂縫調(diào)查的結(jié)果，選擇典型橋梁進行平面分析，比較不同跨徑布置、梁高，腹板厚度以及連續(xù)剛構(gòu)橋梁、墩剛度比等參數(shù)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力的影響，并提出相應(yīng)的改進措施。 （2）箱梁空間效應(yīng)分析 根據(jù)箱梁

9、裂縫調(diào)查的結(jié)果，選擇典型橋梁進行空間計算，分析單項荷載、組合荷載下箱梁的應(yīng)力狀態(tài)。研究不同寬跨比、高跨比、邊中跨比等的影響。對比分析直束布束筋和彎束布束方案優(yōu)劣，對預(yù)應(yīng)力箱梁橋的布束方案提出改進建議。 比較平面分析和空間分析結(jié)果差異，為改進平面分析提出建議。 （3）箱梁溫度梯度模式的影響研究 深入比較國內(nèi)外橋梁規(guī)范的溫度梯度模式，分析其對典型箱梁橋的應(yīng)力影響。 對實橋溫度分布進行測試，了解箱梁空間溫度場分布，并比較實測溫度分布與規(guī)范溫度梯度模式的差異。 在實橋空間溫度場觀測的基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)處理方法研究給出實測數(shù)據(jù)的溫度梯度模式。 （4）設(shè)計因素影響分析及改進措施研究 重點研究預(yù)應(yīng)力箱梁的混凝

10、土應(yīng)力限值、豎向預(yù)應(yīng)力有效預(yù)應(yīng)力計算和防止裂縫的構(gòu)造措施。 比較分析各國規(guī)范混凝土應(yīng)力限制值的差別，全面分析箱梁受力特點，提出預(yù)應(yīng)力箱梁混凝土的應(yīng)力合理取值范圍。 根據(jù)常用豎向預(yù)應(yīng)力的形式、腹板受力特點和有效預(yù)應(yīng)力的試驗結(jié)果，分析各項應(yīng)力損失，提出豎向預(yù)應(yīng)力有效應(yīng)力的計算方法。 調(diào)查箱梁錨固布置及裂縫現(xiàn)狀，采用數(shù)值模擬的方法分析錨固位置附近應(yīng)力狀況，提出合理的構(gòu)造措施和錨固布置方式。對腹板斜裂縫、頂板縱向裂縫、橫隔板發(fā)散裂縫、頂?shù)装鍣M向裂縫、底板崩裂裂縫的開裂機理進行計算分析，歸納總結(jié)開裂成因并提出典型裂縫的預(yù)防措施。 （5）施工因素影響分析及改進措施研究 根據(jù)預(yù)應(yīng)力箱梁裂縫調(diào)查的結(jié)果，從材料

11、、施工工藝、預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)尺寸偏差等方面分析開裂成因，并提出改進措施。 對常用豎向預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)進行試驗，研究預(yù)應(yīng)力損失的影響因素和改進措施。專題3的研究實施方案 （1）裂縫對預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)剛度、承載力的影響研究 收集國內(nèi)外相關(guān)資料，分析、比較不同裂縫對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)剛度、承載能力的影響，在此基礎(chǔ)上尋找預(yù)應(yīng)力箱梁開裂后剛度、承載能力的評估方法。 采用統(tǒng)計學(xué)觀點，對外觀雜亂的裂縫建立箱梁裂縫統(tǒng)計特征，形成規(guī)律性裂縫。 基于實際裂縫統(tǒng)計特征，建立分析模型。 以通用計算程序為平臺，研究提出開裂結(jié)構(gòu)分析計算方法。其核心是斜裂縫和正裂縫的模擬和處理問題。 通過模型試驗，驗證上述計算方法的有效性。 （2）預(yù)

12、應(yīng)力箱梁開裂后結(jié)構(gòu)安全評定指標(biāo)的研究在實橋和實驗室內(nèi)進行混凝土橋梁的混凝土和鋼筋材料性能試驗，獲得相關(guān)參數(shù)，如強度、裂縫特征、保護層厚度、鋼筋銹蝕程度、碳化深度等測試數(shù)據(jù)。在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，基于隨機過程理論建立混凝土強度、鋼筋特性參數(shù)的退化模型?？紤]裂縫對結(jié)構(gòu)抗力的影響，基于可靠度理論建立安全指標(biāo)評價模型，研究安全指標(biāo)的計算方法，編制相關(guān)計算程序，并對計算方法進行驗證。專題4的研究實施方案 （1）裂縫封閉技術(shù)研究 對已完成裂縫封閉的典型橋梁進行調(diào)查，收集國內(nèi)外有關(guān)箱梁裂縫封閉方面的技術(shù)資料，特別是有關(guān)的研究成果和工程實踐資料。 結(jié)合已有的箱梁裂縫處治經(jīng)驗，補充必要的裂縫灌漿試驗，完善和提升裂

13、縫封閉技術(shù)，編寫裂縫封閉技術(shù)指南。 （2）結(jié)構(gòu)補強技術(shù)研究 針對預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁的特點，重點研究預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼鋼板加固法和勁性剛架加固法的使用條件、力學(xué)特點、材料要求、計算方法、施工工藝、構(gòu)造措施等。 就上述加固方法提出質(zhì)量檢驗評定指標(biāo)和要求等。4.主要成果與評價本項目針對在用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁橋開裂問題進行系統(tǒng)研究，其主要研究成果可歸納為箱梁裂縫調(diào)查及檢測技術(shù)、開裂成因分析、開裂預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁性能評價和開裂箱梁加固補強技術(shù)4個方面。1.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋裂縫調(diào)查及檢測技術(shù)（1）在交通部公路司的大力支持和幫助下，開展了在用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開

14、裂情況的全國調(diào)查工作，收集了180余座橋梁資料，對其中45座進行了詳細(xì)調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)5類16種裂縫，獲得了典型裂縫的分布規(guī)律、形態(tài)特征和統(tǒng)計特征，為項目研究提供了重要的依據(jù)和支撐，也為有關(guān)部門編制橋梁養(yǎng)護計劃提供了依據(jù)。研究認(rèn)為我國公路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁開裂的基本原因為設(shè)計、施工和運營管養(yǎng)三方面均存在不足。腹板斜裂縫、頂?shù)装蹇v向裂縫和橫隔板輻射及豎向裂縫是最主要的開裂形式。圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁裂縫調(diào)查（2）通過理論分析、模型和現(xiàn)場試驗、實橋應(yīng)用，研究了開裂區(qū)混凝土強度、豎向預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力筋定位及管道壓漿狀況檢測技術(shù)，進行了多種方法、多工況下的試驗對比，開發(fā)了預(yù)應(yīng)力鋼筋的雷達精確定位技

15、術(shù)及豎向有效預(yù)應(yīng)力檢測成套技術(shù)，提出了開裂區(qū)混凝土強度的檢測評價技術(shù)指南，為橋梁工程驗收、病害分析、加固維修提供了高效、實用的檢測方法，填補了開裂區(qū)混凝土強度評價和預(yù)應(yīng)力鋼束無損定位檢測技術(shù)的空白。（a）預(yù)應(yīng)力定位技術(shù)實橋試驗及采集的圖像（b）X射線檢測預(yù)應(yīng)力管道壓漿飽滿度試驗及成像圖圖2 開裂預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁檢測技術(shù)2.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋開裂成因（1）全面總結(jié)了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁產(chǎn)生裂縫的施工因素，明確了混凝土收縮、水化熱引起的溫差、縱橫豎三向預(yù)應(yīng)力施工、保護層厚度、梁段接縫處理，以及混凝土配合比、澆筑工藝和順序、養(yǎng)護、超方等對箱梁裂縫產(chǎn)生的作用，明晰了豎向預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力的主要施工影響因素

16、為錨固螺母滑移、錨墊板傾斜、張拉偏差、錨固偏差，由此引起的損失可達50%甚至更大。結(jié)合箱梁裂縫調(diào)查結(jié)果分析，認(rèn)為混凝土的施工質(zhì)量和預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量低劣是箱梁開裂的主要施工原因。（2）對箱梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計計算、材料時效特性、預(yù)應(yīng)力布置形式、混凝土應(yīng)力限值、溫度模式、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等設(shè)計因素進行了研究。指出了規(guī)范（JTJ023-85）規(guī)定的應(yīng)力限值偏高、缺乏針對箱梁的具體構(gòu)造要求，明確了在用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計中存在的不足：豎向預(yù)應(yīng)力的錨固損失考慮不夠、局部應(yīng)力計算不細(xì)、預(yù)應(yīng)力布置和錨固位置不合理、用主應(yīng)力驗算取代抗剪驗算、溫度梯度模型不合理、沒有計入箱梁內(nèi)外溫差的影響、箱梁空間效應(yīng)考慮不準(zhǔn)確、懸澆施工

17、預(yù)應(yīng)力損失偏小，以及這些不足對裂縫產(chǎn)生的不利影響。研究認(rèn)為應(yīng)力限值、溫度效應(yīng)、預(yù)應(yīng)力布置和構(gòu)造要求等因素為影響箱梁開裂的主要設(shè)計因素。（3）采用實體三維有限元對三向預(yù)應(yīng)力條件下預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋進行了施工階段與使用階段的全過程計算分析，比較了不同荷載（自重、三向預(yù)應(yīng)力、汽車中偏載、空間體系溫差、空間溫度梯度、空間內(nèi)外溫差、組合荷載）和平面計算的差別，明確了箱梁的空間效應(yīng)與典型開裂的對應(yīng)關(guān)系，提出了基于空間效應(yīng)分析的預(yù)應(yīng)力箱梁平面修正算法，彌補了平面計算的不足。圖3 三向預(yù)應(yīng)力條件下剛構(gòu)箱梁橋施工、使用階段的全過程分析模型（4）通過典型箱梁橋為期一年半的溫度場長期觀測，獲得了典型橋梁在自

18、然環(huán)境條件下混凝土箱梁溫度場的測點溫度實測數(shù)據(jù)約34萬余個，了解了箱梁溫度場的分布及變化規(guī)律、瀝青混凝土鋪裝厚度對溫度場的影響。提出了根據(jù)長期觀測數(shù)據(jù)來計算獲得混凝土溫度作用代表值的方法和對大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的設(shè)計和開裂成因分析中如何考慮溫度作用的建議。圖4 箱梁溫度場測試（5）根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的裂縫成因分析和總結(jié)成功經(jīng)驗，提出了防止典型裂縫的設(shè)計和施工改進措施，如合理梁高、腹板厚度、預(yù)應(yīng)力布置、最小含筋率、構(gòu)造要求、豎向預(yù)應(yīng)力筋張拉工藝、混凝土澆筑順序等具體措施，形成了對相關(guān)設(shè)計、施工規(guī)范的有益補充。3.開裂預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁性能評價（1）依據(jù)外觀調(diào)查統(tǒng)計、按照統(tǒng)計學(xué)觀點建立開裂預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁裂縫統(tǒng)計特征參數(shù)，提出了存在正裂縫和斜裂縫預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁有限元計算模型及其截面有效剛度和承載力折減系數(shù)計算方法，并通過模型試驗加以驗證，為開裂箱梁的量化評價提供了簡單實用手段，為維修加固決策提供了評判依據(jù)。（2）采用可靠度作為評價結(jié)構(gòu)安全的評定指標(biāo)，研究提出了用分維數(shù)表示箱梁表面開裂程度的方法，建立了裂縫處鋼筋面積的銹蝕時變模型和開裂區(qū)混凝土強度的概率模型，基于模糊失效準(zhǔn)則建立了開裂預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋可靠度評價方法。4.開裂箱梁加固補強技術(shù)圖5 開裂箱梁加固補強實例（1）對國內(nèi)外有關(guān)裂縫封閉技術(shù)進行了系統(tǒng)總結(jié)和提升，針對公路預(yù)應(yīng)力