某PC连续箱梁典型病害及成因分析

某PC连续箱梁典型病害及成因分析

曹勇超

（株洲市城郊公路养护中心，湖南 株洲 412006 ）

摘要：以某14跨预应力混凝土连续箱梁桥为工程实例，统计其上部结构典型病害状况，此桥箱梁主要病害包括顶板裂缝、底板裂缝、腹板裂缝及体外预应力筋锈蚀；并结合其设计、施工等因数，对典型病害成因进行系统分析；进一步从“设计、施工、运营”三个方面提出连续箱梁病害防治思路，为同类型桥梁的建设和养护提供一定的参考价值。

关键词：桥梁工程；连续梁；病害；成因分析

中图分类号：U455.7文献标识码：

0引言

预应力连续箱梁桥具有适用跨径大，经济性好等特点，多应用于跨越河流、峡谷，现阶段，部分此类型桥梁服役时间已达到30年，其主梁已经呈现出较多类型的病害，对此类型主梁病害成因进行分析，有利于此类桥梁建设与养护工作的开展。金恩[1]等采用实体单元对连续梁桥主梁开裂机理进行分析；较多学者[2-5]以各类连续梁工程实例进行病害分析，部分学者对连续梁桥加固提出合理思路；部分学者[6-7]对服役期间连续梁桥的承载能力进行分析。

结合现有研究成果，本文以某预应力混凝土连续箱梁桥为例，阐述此桥上部结构的典型病害状况，并结合桥梁特征对各类病害成因进行系统分析，进一步提出病害防治思路。

1工程概况

某大桥主桥上部结构形式为预应力混凝土连续箱梁桥。主桥1#-7#跨为变截面连续梁，跨径组合为50m+5×90m+50m，其中1#、2#、7#跨连续箱梁采用悬臂浇筑法施工，3#-6#跨采用悬臂拼装法施工；主桥8#-14#跨为等截面连续梁，跨径组合为7×42.8m，采用多点顶推法施工；主桥桥面宽度为20.5m，箱梁断面形式均为斜腹板单箱单室；变截面连续箱梁跨中截面梁高为2.5m，支点截面梁高为5.4m。

2主桥典型病害及成因

2.1  变截面连续箱梁

2.1.1  裂缝病害整体状况

变截面连续箱梁混凝土表面共发现裂缝60条，其中箱外底板横向裂缝共10条，箱外底板纵向裂缝共38条，箱内顶板纵向裂缝共8条，箱外底板斜缝共2条，占总数的3.3%，缝宽0.06mm。

2.1.2  裂缝病害成因分析

根据现场检测结果，按裂缝特征的不同对裂缝产生原因分别进行分析。

（1）箱梁底板横向裂缝

底板横向裂缝共计10条，占总数的16.7%，最大缝宽0.10mm，最大缝深9mm，其主要分布于第2跨的3L/8、L/2位置及第3跨L/2位置，裂缝长度介于1.2m～8.0m，且部分底板横向裂缝向腹板延伸，形成腹板竖缝，底板横向裂缝典型照片如图1所示。

据资料显示，此桥最初设计汽车荷载标准为汽车-20级，后按汽车-超20级荷载进行验算，能满足要求而未进行设计变更，但其安全储备不大。桥梁原设计日通车量2万台，现实际日通车量5.6万台，是设计日通车量的2.3倍，且现行设计汽车荷载标准远大于当时的设计汽车荷载。此桥横向裂缝成因为：（1）箱梁已服役近30年，桥梁长时间超负荷运行状态，箱梁内部原设计预应力无法满足现有汽车荷载需求，且箱梁内部预应力累积损伤不断增加，导致箱梁底板在弯矩最大区域附近形成横向裂缝；（2）箱梁服役期间，在混凝土收缩徐变及外荷载作用下，箱梁跨中残余挠度不断累积，既造成有效预应力降低，也增加箱梁截面在荷载作用下的弯矩，造成主梁形成横向裂缝。

此桥变截面连续箱梁为全预应力设计，其全截面均不允许产生拉应力，更不允许产生底板横向裂缝或腹板竖缝，此主梁现有底板横向裂缝为结构裂缝，说明变截面箱梁抗弯承载能力不足，建议立即对其进行加固处治，提高其正常使用极限状态及承载能力极限状态。

图1  箱梁底板横向裂缝典型照片

（2）箱梁顶部纵向裂缝

箱梁顶板纵向裂缝共8条，占总数的13.3%，最大缝宽0.10mm，顶板纵向裂缝全桥范围内均有分布；箱梁底板纵向裂缝共38条，占总数的63.3%，最大缝宽0.08mm，主要集中在第2跨、第3跨。

此桥顶板纵向裂缝成因为：（1）单箱单室箱梁，在外界活载作用下，箱梁节段横桥向受力状态与箱涵类似，其顶板沿桥横向受力状态近似为箱涵顶板受力，箱梁顶板中线处受到较大的弯矩，在顶板中线处易形成纵向裂缝，此类纵向裂缝为结构裂缝；（2）箱梁顶板宽度较大，横向配筋不足引起，在日照温度作用下，及温度梯度作用下易产生顶板纵向裂缝，此类纵向裂缝为非结构性裂缝。

此桥底板纵向裂纹成因为：（1）变截面连续箱梁底板线型为二次抛物线，底板预应力布置线形与箱梁底板线形一致，预应力中间段线性为凸形，预应力将沿预应力管道位置形成向下的竖向力，当底板横向普通钢筋配置不足时，易使箱梁底板沿预应力管道剥裂，此类裂缝为结构裂缝；（2）在箱梁底板厚度较大处，混凝土浇筑成型过程中，混凝土水化热效应及混凝土收缩效应叠加下，底板易形成收缩裂缝，此类裂缝为非结构性裂缝。

箱梁顶板、底板纵向裂缝成因较为复杂，当纵向裂缝为结构裂缝时，需要对箱梁截面横向刚度进行提升加固；当纵向裂缝为非结构性裂缝时，需要对纵向裂缝进行封闭处治，提高桥梁的耐久性能。

（2）箱梁底板斜向裂缝

箱梁底板斜缝共2条，占总数的3.3%，缝宽0.06mm，分布于主梁L/2和5L/8区域附近。箱梁底板斜裂缝成因主要为箱梁截面横向联系不足，偏载作用下，结构发生较大的扭转变形，主梁底板主拉应力方向形成斜向裂缝，此类裂缝为结构裂缝，建议对部分梁端增加横向联系，提高主梁横向抗扭刚度。

2.1.3 悬臂拼主梁干接缝析白

此桥3#-6#跨变截面主梁为悬臂拼装法施工，检测发现箱梁内干接缝顶板全桥范围内均存在局部析白状况，箱外底板及腹板等未发现裂缝及渗水析白等其他病害。

2.2 等截面连续箱梁

2.2.1  裂缝病害整体状况

等截面连续箱梁混凝土表面共发现裂缝31条，其中箱内顶板纵向裂缝共15条，箱内顶板横向裂缝共9条，箱外腹板共7条斜缝。

2.1.2  裂缝病害成因分析

根据现场检测结果，按裂缝特征的不同对裂缝产生原因分别进行分析如下：

（1）顶板纵向裂缝

箱内顶板纵向裂缝共15条，占总数的48.4%，最大缝宽0.12mm，且少量裂缝是修补后开裂，全桥范围内均有分布。等截面箱梁顶板受力状态与变截面箱梁顶板受力状态一致，其裂缝成因与变截面箱梁顶板裂缝成因一致。

（2）顶板横向裂缝

顶板横向裂缝共9条，占总数的29.0%，最大缝宽0.10mm，主要分布于L/4～3L/4区域内。顶板横向裂缝成因为：等截面连续梁多点顶推法施工过程中，连续箱梁远端点到达临时墩或桥墩位置前，箱梁部分梁段处于悬臂阶段，此时箱梁底板受拉，导致箱梁顶板在负弯矩最大区域附件形成横向裂缝，且服役状态下此裂缝区域内顶板以受压为主，施工阶段形成的顶板横向裂缝不影响结构受力，因此此桥顶板横向裂缝为非结构性裂缝。建议对其进行封闭处治，提高桥梁的耐久性能。

（3）腹板斜向裂缝

腹板斜向裂缝共计7条，占总数的22.6%，最大缝宽0.10mm，最大缝深9 mm，裂缝分布于第8跨、第9跨、第11跨。腹板斜缝为剪切裂缝，表明等截面连续箱梁腹板抗剪承载能力不足，主要原因为：（1）此桥腹板斜向裂缝比较集中的梁段凿孔发现竖向预应力孔道灌浆密实度不足，加剧了箱梁竖向预应力损伤，导致箱梁腹板抗剪能力不足；（2）箱梁腹板原设计抗剪承载力无法满足现有车辆荷载通行需求；（3）温度梯度作用下，叠加结构各类荷载，结构在L/4类附近腹板主拉应力随温度梯度变化而显著变化，引起腹板产生斜向裂缝。腹板斜向裂缝对结构可靠性和安全性均存在较大影响，建议对腹板进行加固处理，提高腹板抗剪承载力。

2.2.3  体外预应力筋锈蚀

结合等截面箱梁受力状态，考虑承载能力无法满足车辆荷载需求，此桥于2001年开展加固改造工作，于2003年完工，等截面箱梁采用增设体外预应力方式提高承载能力。本次检测结果显示，第14跨等截面箱梁内，体外预应力中间束1#束1/2钢丝锈断，中间束5#束全部锈蚀失效，中间束6#束2根钢绞线锈断失效，右边束4#束1根钢丝断裂。此桥体外预应力筋锈蚀严重的主要成因为：此桥底板体外预应力筋均无其他材料包裹，且此跨箱梁为主桥边跨，潮湿气流可从检修人形孔直接进入箱梁内部，加速类体外预应力筋的腐蚀。检测结果显示未发现因底板体外预应力筋部分锈蚀断裂而产生的新增结构性裂缝，但为了桥梁的安全运营，建议立即对失效体外预应力筋进行更换处治，提高桥梁的承载能力及耐久性能。

3  连续梁桥病害防治系统分析

3.1  设计方法

连续箱梁桥作为大跨径桥梁结构，其主要抗弯承载能力来源于预应力，因此桥梁设计过程中需要充分考虑结构承载能力需求、服役期间车辆荷载的发展状况和预应力损伤量，合理的安排预应力数量及分布情况。

连续箱梁桥设计过程中，需要考虑各截面受力状况，合理的设计截面断面尺寸，并合理布置普通钢筋及构造钢筋，避免结构应尺寸不足或钢筋数量不足而形成裂缝。

3.2  施工方面

连续箱梁桥施工方法较多，当等截面连续箱梁采用顶推法施工时，需要注意施工过程中结构的受力状态，避免在施工过程中的不利受力导致结构出现损伤。当变截面箱梁采用悬臂浇筑或悬臂拼装施工时，要注意严格施工过程中结构线形，严格控制施工工序和新老混凝土交界面的处理。

施工过程中，需要对各类材料的原材料性能进行质量控制，控制钢筋保护层厚度，避免连续梁混凝土因为施工质量控制不当而形成混凝土病害。

3.3  运营方面

运营管理部门应进行经常性检查，发现桥梁病害，及时分析病害原因，对病害及时进行处理；需要对桥梁设计荷载等级及实际荷载通行情况进行评估，尽量避免桥梁超负荷运行，及时对受损严重桥梁进行限速限载；桥梁运营过程中，应优化桥梁二期恒载，减少桥面上的构造物附加荷载，避免桥梁在原设计荷载基础上大幅度增加二期荷载值。

4  结论

本文以某预应力混凝土连续箱梁桥为工程实例，分析其上部结构病害情况，并结合此桥自身特点，对典型病害的成因进行分析，得出以下结论：

（1）预应力混凝土连续箱梁桥混凝土病害主要呈现为箱梁纵向裂缝、横向裂缝及斜向裂缝，且以纵向裂缝为主；箱梁裂缝成因较为复杂，应进行成因系统分析；

（2）连续箱梁体外预应力加固，应及时做好防锈措施，避免体外预应力筋锈蚀；

（3）可从“设计、施工、运营”三个方面优化结构受力状态，削减连续箱梁桥病害成因，降低各类病害发生的概率。

参考文献

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[7]贾毅,田浩,李晓章等.某宽幅连续箱梁桥承载能力评定[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2022,38(01):67-74.

作者简介：曹勇超（1983—），男，益阳市，中级工程师，主要研究方向为桥梁养护和加固。