论文部分内容阅读
摘 要：针对九江二桥主桥箱梁及结合段出现的混凝土开裂现象，对该桥进行了全面的混凝土裂缝专项检测与评估，包括裂缝位置、裂缝长度、宽度、数量，裂缝发展状况。根据桥梁不同位置处裂缝分布情况，采用理论和数值模拟相结合的方法对裂缝成因进行了综合分析，并提出了相应的维修处治建议。
关键词：桥梁检测;裂缝;理论分析;数值模拟;成因分析
中图分类号：U441 文献标识码：A
0 前言
混凝土结构是桥梁的重要组成部分，由于各种原因（如干燥收缩、温度应力、外荷载、基础变形等），裂缝成为混凝土结构中最常见的缺陷或损伤现象[1-2]。裂缝的成因、状态、发展及在结构中的位置的不同，对混凝土桥梁结构的危害性也有很大的区别。严重的受力裂缝可能危害结构的整体性和稳定性，对桥梁结构的安全运行有很大影响。九江二桥位于长江中下游，南起江西九江市，北连湖北黄梅县，是跨越长江的重要交通干道之一。考虑服役环境的复杂性及繁忙的交通运输量，需要对其定期开展裂缝检测评估工作。
1 工程概况
九江二桥主桥为六跨不对称混合梁斜拉桥，主跨818 m，跨径布置为（70+75+84+818+233.5+124.5）m，主桥全长1 405 m。南边跨为3跨，长229 m，设置2个辅助墩和1个过渡墩，南边中跨比为0.280;北边跨为2跨，长358 m，
设置1个辅助墩和1个过渡墩，北边中跨比为0.438。混合结构组成为：0.9 m（南过渡墩伸缩缝）+260.6 m（南岸混凝土梁段）+8.15 m（结合段）+1 134.45 m（钢箱梁段）+0.9 m（北过渡墩伸缩缝）。混凝土箱梁中心线处梁高3.6 m，
距南岸梁端1.5 m长度范围内梁宽为33.5 m，索塔中心线两侧各6.7 m范围内梁宽度为34.9 m。梁高与中跨比为1：227.22，梁宽与中跨比为1：21.03。
2 混凝土裂缝检测结果
2.1 检测方法
混凝土箱梁内部外观检查主要以目测为主，辅以桥梁检测专用摄像仪、望远镜、小铁锤、激光测距仪、钢卷尺、人字梯等工具，进行方位描述、现场绘制病害草图和图片记录。借助桥检车进行混凝土箱梁外部外观的检查。使用记号笔在混凝土表面标识裂缝位置、走向，确保清晰可见，并耐久保持;并采用激光测距仪、裂缝测宽仪、裂缝测深仪等对裂缝长度、宽度、深度进行检测。
2.2 不同位置裂缝分布情况
2.2.1 混凝土箱梁内部检测结果
对箱梁内部结构的外观进行了检测，包括腹板、横隔板、顶板、底板、纵次梁及风嘴内侧面等位置。不同位置所经受病害的详细指标如表1所示。经统计，混凝土箱梁内部裂缝数量为549条，裂缝总长为768 m，裂缝宽度范围0.02 mm～0.34 mm。
2.2.2 混凝土箱梁外部检测结果
利用桥检车对混凝土箱梁外部进行了检测，发现混凝土外部涂层龟裂2处，开裂面积0.193 6 m2;涂层脱落6处，面积为0.122 5 m2;混凝土破损6处，面积为0.455 m2。同时，发现混凝土箱梁底板涂层覆盖处外观完好，无明显裂缝。
2.2.3 混凝土箱梁裂缝深度检测结果
选取4个不同箱梁、共计6条代表性裂缝进行裂缝深度检测，检测结果如图1所示。首先，对19-2-1#号箱梁不同位置处的裂缝形态进行统计分析。图1（a）代表顶板距大桩号侧3.5 m处的位置，出现了1条明显的横向裂缝，裂缝尺寸为：长度（L）=1.6 m、宽度（W）=0.04 mm，深度（H）=68 mm;而顶板/左腹板右侧面/底板距小桩号侧1.5 m处出现了1条贯穿裂缝，裂缝长度、宽度和深度分别为：3.5 m、0.34 mm、104 mm，如图1（b）所示;图1（c）代表顶板距小樁号侧2 m、距左边3.2 m处，则出现了1条纵向裂缝，其尺寸为：L=1.8 m、W=0.2 mm、H=174 mm。上述结果表明：在同一个箱室、不同位置处的裂缝尺寸存在较大差异，尤其是裂缝深度差别很大。
然后选取不同箱室的裂缝进行分析，如图1（d）～（f）所示。其中，在20-9-2#号室的顶板处，出现1条长1.9 m、宽0.26 mm和深119 mm的纵向裂缝（图1（d））;在21-10-2#号室的顶板处，出现1条纵向裂缝，尺寸为：L=1.9 m、W=0.18 mm、H=104 mm（图1（e））;而在22-2-1#号室的左风嘴右侧面也出现了1条长1.5 m、宽0.2 mm和深32 mm的纵向裂缝，如1（f）所示。
2.3 主要裂缝成因分析
2.3.1 顶板纵向裂缝
混凝土箱梁采用分段分节支墩支架现浇工艺施工，自梁端开始主梁分四个施工段和三个湿接缝，每个施工段分若干节浇筑。混凝土箱梁顶板纵向裂缝共105条，占箱梁裂缝总数的19.1%，裂缝长度158 m，占箱梁裂缝总长的20.6%。
（1）理论分析。收缩作为混凝土材料的固有属性，与结构的应力状态无关，表现为随时间发展，混凝土体积的减小[3]。我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）中，由于收缩预测模式中的收缩时间进程函数与构件的理论厚度有关，对n#节段，理论厚度取节段两端截面的理论厚度的平均值。则n#节段的收缩应变为：
（1）
由于湿接缝收缩速率较快且量值较大，越远离湿接缝的节段的收缩速率越慢且量值较小。研究相对收缩应变时，不妨将某时刻各个节段的收缩应变值减去相同时刻a#块的收缩应变，即以a#块为相对收缩量值的比较基准，则任意n#节段相对于a#块的收缩应变为：
（2）
（2）数值模拟。采用我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）的收缩徐变预测公式，以湿接缝与相邻节段之间的施工工期为例，按至今时间计算，湿接缝与相邻节段之间的相对收缩应变，其收缩当量温差。利用ABAQUS有限元分析软件建立7.5 m节段+1.8 m湿接缝+7.5 m节段模型，通过给湿接缝位置施加温度荷载使其降温，模拟混凝土收缩。考虑相邻节段与湿接缝混凝土龄期差异引起的收缩横向正应力的分布云图如图2（a）所示，湿接缝顶板下缘横向拉应力不可忽视，其最大值达到了2.7 MPa。从图2（b）箱梁拉伸损伤云图看出，箱梁湿接缝顶板下缘出现了多处拉伸损伤，损伤分布与湿接缝裂缝分布基本一致。 2.3.2 横隔板裂缝
由2.2节检测结果可知：横隔板裂缝数量为202条，占混凝土箱梁裂缝总数的36.8%。横隔板裂缝一般是由混凝土的收缩造成的。由于一次性浇筑的混凝土土方量较大，先浇筑的混凝土会对后期浇筑的顶板混凝土产生较大的约束，浇筑时间间隔越长，不均匀收缩所产生的应力越大，从而导致横隔板裂缝的产生。
2.3.3 腹板、风嘴和次梁纵向裂缝
主桥混凝土箱梁腹板、风嘴内侧面和次梁主要出现纵向裂缝，裂缝数量为82条，占混凝土箱梁裂缝总数的14.9%，总长为122 m，占混凝土箱梁裂缝总长的15.9%。纵向裂缝出現的主要原因是预应力管道定位不准，或浇筑时发生偏移，导致波纹管处混凝土保护层厚度不足。由于预应力张拉时沿波纹管产生泊松效应，沿波纹管底产生拉应力，加之混凝土收缩应力的作用，沿波纹管等混凝土薄弱截面易出现裂缝。
3 结论与建议
3.1 结论
（1）对箱梁内部结构，发现不同位置存在不同的裂缝缺陷特征;混凝土箱梁底板涂层覆盖处外观完好，无明显裂缝。（2）不同箱室内的裂缝尺寸存在较大差异，尤其是裂缝深度差别很大。裂缝宽度范围为0.04 mm～0.34 mm，裂缝深度变化范围是32 mm～174 mm，平均裂缝深度为102.5 mm。（3）主桥混凝土箱梁段采用分段分节浇筑，当湿接缝混凝土浇筑完成后，全桥各节段之间的混凝土收缩量不等，使湿接缝顶板产生横向拉应力，当拉应力值大于混凝土抗拉强度值时便会产生纵向裂缝。（4）由于先浇筑的混凝土会对后期浇筑的顶板混凝土产生较大的约束，浇筑时间间隔越长，不均匀收缩所产生的应力越大，从而导致横隔板裂缝的产生。
3.2 建议
针对九江长江二桥主桥混凝土段裂缝数量逐年增长的问题，应对裂缝进行维修加固，防止裂缝进一步发展，建议如下：（1）建议对宽度<0.15 mm的裂缝进行封闭处理，防止水汽进入混凝土内部，腐蚀钢筋和预应力钢筋;对宽度≥0.15 mm的裂缝进行压力灌注封闭处理。（2）对裂缝进行后续观测，跟踪了解病害发展，如有继续发展开裂，根据其严重程度采用适当的方法进行加固处理。
参考文献：
[1]陈肇元，崔京浩，朱金铨，等.钢筋混凝土裂缝机理与控制措施[J].工程力学，2006（S1）：86-107.
[2]金贤玉，田野，金南国.混凝土早龄期性能与裂缝控制[J].建筑结构学报，2010（6）：204-212.
[3]谢峻，王国亮，郑晓华.大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题的研究现状[J].公路交通科技，2007（1）：47-50.
[4]JTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
关键词：桥梁检测;裂缝;理论分析;数值模拟;成因分析
中图分类号：U441 文献标识码：A
0 前言
混凝土结构是桥梁的重要组成部分，由于各种原因（如干燥收缩、温度应力、外荷载、基础变形等），裂缝成为混凝土结构中最常见的缺陷或损伤现象[1-2]。裂缝的成因、状态、发展及在结构中的位置的不同，对混凝土桥梁结构的危害性也有很大的区别。严重的受力裂缝可能危害结构的整体性和稳定性，对桥梁结构的安全运行有很大影响。九江二桥位于长江中下游，南起江西九江市，北连湖北黄梅县，是跨越长江的重要交通干道之一。考虑服役环境的复杂性及繁忙的交通运输量，需要对其定期开展裂缝检测评估工作。
1 工程概况
九江二桥主桥为六跨不对称混合梁斜拉桥，主跨818 m，跨径布置为（70+75+84+818+233.5+124.5）m，主桥全长1 405 m。南边跨为3跨，长229 m，设置2个辅助墩和1个过渡墩，南边中跨比为0.280;北边跨为2跨，长358 m，
设置1个辅助墩和1个过渡墩，北边中跨比为0.438。混合结构组成为：0.9 m（南过渡墩伸缩缝）+260.6 m（南岸混凝土梁段）+8.15 m（结合段）+1 134.45 m（钢箱梁段）+0.9 m（北过渡墩伸缩缝）。混凝土箱梁中心线处梁高3.6 m，
距南岸梁端1.5 m长度范围内梁宽为33.5 m，索塔中心线两侧各6.7 m范围内梁宽度为34.9 m。梁高与中跨比为1：227.22，梁宽与中跨比为1：21.03。
2 混凝土裂缝检测结果
2.1 检测方法
混凝土箱梁内部外观检查主要以目测为主，辅以桥梁检测专用摄像仪、望远镜、小铁锤、激光测距仪、钢卷尺、人字梯等工具，进行方位描述、现场绘制病害草图和图片记录。借助桥检车进行混凝土箱梁外部外观的检查。使用记号笔在混凝土表面标识裂缝位置、走向，确保清晰可见，并耐久保持;并采用激光测距仪、裂缝测宽仪、裂缝测深仪等对裂缝长度、宽度、深度进行检测。
2.2 不同位置裂缝分布情况
2.2.1 混凝土箱梁内部检测结果
对箱梁内部结构的外观进行了检测，包括腹板、横隔板、顶板、底板、纵次梁及风嘴内侧面等位置。不同位置所经受病害的详细指标如表1所示。经统计，混凝土箱梁内部裂缝数量为549条，裂缝总长为768 m，裂缝宽度范围0.02 mm～0.34 mm。
2.2.2 混凝土箱梁外部检测结果
利用桥检车对混凝土箱梁外部进行了检测，发现混凝土外部涂层龟裂2处，开裂面积0.193 6 m2;涂层脱落6处，面积为0.122 5 m2;混凝土破损6处，面积为0.455 m2。同时，发现混凝土箱梁底板涂层覆盖处外观完好，无明显裂缝。
2.2.3 混凝土箱梁裂缝深度检测结果
选取4个不同箱梁、共计6条代表性裂缝进行裂缝深度检测，检测结果如图1所示。首先，对19-2-1#号箱梁不同位置处的裂缝形态进行统计分析。图1（a）代表顶板距大桩号侧3.5 m处的位置，出现了1条明显的横向裂缝，裂缝尺寸为：长度（L）=1.6 m、宽度（W）=0.04 mm，深度（H）=68 mm;而顶板/左腹板右侧面/底板距小桩号侧1.5 m处出现了1条贯穿裂缝，裂缝长度、宽度和深度分别为：3.5 m、0.34 mm、104 mm，如图1（b）所示;图1（c）代表顶板距小樁号侧2 m、距左边3.2 m处，则出现了1条纵向裂缝，其尺寸为：L=1.8 m、W=0.2 mm、H=174 mm。上述结果表明：在同一个箱室、不同位置处的裂缝尺寸存在较大差异，尤其是裂缝深度差别很大。
然后选取不同箱室的裂缝进行分析，如图1（d）～（f）所示。其中，在20-9-2#号室的顶板处，出现1条长1.9 m、宽0.26 mm和深119 mm的纵向裂缝（图1（d））;在21-10-2#号室的顶板处，出现1条纵向裂缝，尺寸为：L=1.9 m、W=0.18 mm、H=104 mm（图1（e））;而在22-2-1#号室的左风嘴右侧面也出现了1条长1.5 m、宽0.2 mm和深32 mm的纵向裂缝，如1（f）所示。
2.3 主要裂缝成因分析
2.3.1 顶板纵向裂缝
混凝土箱梁采用分段分节支墩支架现浇工艺施工，自梁端开始主梁分四个施工段和三个湿接缝，每个施工段分若干节浇筑。混凝土箱梁顶板纵向裂缝共105条，占箱梁裂缝总数的19.1%，裂缝长度158 m，占箱梁裂缝总长的20.6%。
（1）理论分析。收缩作为混凝土材料的固有属性，与结构的应力状态无关，表现为随时间发展，混凝土体积的减小[3]。我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）中，由于收缩预测模式中的收缩时间进程函数与构件的理论厚度有关，对n#节段，理论厚度取节段两端截面的理论厚度的平均值。则n#节段的收缩应变为：
（1）
由于湿接缝收缩速率较快且量值较大，越远离湿接缝的节段的收缩速率越慢且量值较小。研究相对收缩应变时，不妨将某时刻各个节段的收缩应变值减去相同时刻a#块的收缩应变，即以a#块为相对收缩量值的比较基准，则任意n#节段相对于a#块的收缩应变为：
（2）
（2）数值模拟。采用我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）的收缩徐变预测公式，以湿接缝与相邻节段之间的施工工期为例，按至今时间计算，湿接缝与相邻节段之间的相对收缩应变，其收缩当量温差。利用ABAQUS有限元分析软件建立7.5 m节段+1.8 m湿接缝+7.5 m节段模型，通过给湿接缝位置施加温度荷载使其降温，模拟混凝土收缩。考虑相邻节段与湿接缝混凝土龄期差异引起的收缩横向正应力的分布云图如图2（a）所示，湿接缝顶板下缘横向拉应力不可忽视，其最大值达到了2.7 MPa。从图2（b）箱梁拉伸损伤云图看出，箱梁湿接缝顶板下缘出现了多处拉伸损伤，损伤分布与湿接缝裂缝分布基本一致。 2.3.2 横隔板裂缝
由2.2节检测结果可知：横隔板裂缝数量为202条，占混凝土箱梁裂缝总数的36.8%。横隔板裂缝一般是由混凝土的收缩造成的。由于一次性浇筑的混凝土土方量较大，先浇筑的混凝土会对后期浇筑的顶板混凝土产生较大的约束，浇筑时间间隔越长，不均匀收缩所产生的应力越大，从而导致横隔板裂缝的产生。
2.3.3 腹板、风嘴和次梁纵向裂缝
主桥混凝土箱梁腹板、风嘴内侧面和次梁主要出现纵向裂缝，裂缝数量为82条，占混凝土箱梁裂缝总数的14.9%，总长为122 m，占混凝土箱梁裂缝总长的15.9%。纵向裂缝出現的主要原因是预应力管道定位不准，或浇筑时发生偏移，导致波纹管处混凝土保护层厚度不足。由于预应力张拉时沿波纹管产生泊松效应，沿波纹管底产生拉应力，加之混凝土收缩应力的作用，沿波纹管等混凝土薄弱截面易出现裂缝。
3 结论与建议
3.1 结论
（1）对箱梁内部结构，发现不同位置存在不同的裂缝缺陷特征;混凝土箱梁底板涂层覆盖处外观完好，无明显裂缝。（2）不同箱室内的裂缝尺寸存在较大差异，尤其是裂缝深度差别很大。裂缝宽度范围为0.04 mm～0.34 mm，裂缝深度变化范围是32 mm～174 mm，平均裂缝深度为102.5 mm。（3）主桥混凝土箱梁段采用分段分节浇筑，当湿接缝混凝土浇筑完成后，全桥各节段之间的混凝土收缩量不等，使湿接缝顶板产生横向拉应力，当拉应力值大于混凝土抗拉强度值时便会产生纵向裂缝。（4）由于先浇筑的混凝土会对后期浇筑的顶板混凝土产生较大的约束，浇筑时间间隔越长，不均匀收缩所产生的应力越大，从而导致横隔板裂缝的产生。
3.2 建议
针对九江长江二桥主桥混凝土段裂缝数量逐年增长的问题，应对裂缝进行维修加固，防止裂缝进一步发展，建议如下：（1）建议对宽度<0.15 mm的裂缝进行封闭处理，防止水汽进入混凝土内部，腐蚀钢筋和预应力钢筋;对宽度≥0.15 mm的裂缝进行压力灌注封闭处理。（2）对裂缝进行后续观测，跟踪了解病害发展，如有继续发展开裂，根据其严重程度采用适当的方法进行加固处理。
参考文献：
[1]陈肇元，崔京浩，朱金铨，等.钢筋混凝土裂缝机理与控制措施[J].工程力学，2006（S1）：86-107.
[2]金贤玉，田野，金南国.混凝土早龄期性能与裂缝控制[J].建筑结构学报，2010（6）：204-212.
[3]谢峻，王国亮，郑晓华.大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题的研究现状[J].公路交通科技，2007（1）：47-50.
[4]JTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].