冻土区桥梁桩基监测研究成果

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：探地雷达技术作为一种无损监测高新技术，具有精度高、图像直观等特点。且应用于路面厚度监测的探地雷达具有较高的垂向分辨率，其监测结果与实际钻孔取芯结果相差不足3mm，精度已经达到设计的4%。监测设备应能够分辨1mm以上的路面裂缝，监测结果应采用计算机自动识别，识别准确率应达到90%以上。使上、下部结构的实际受力情况符合设计的计算图式。某块板梁单独承受荷载，加剧单板疲劳破坏，使桥梁上部结构处于极为不利的受力状态。

（1）路面监测

a.路面厚度监测。

按照《公路工程质量检验评定标准》（JTJ071—98E）［1］有关规定，路面表层的平整度、弯沉、路面结构层的厚度是评定高等级公路路面质量的重要指标，并且在诸项指标中路面面层厚度最为重要，因此路面厚度监测是公路无损监测的重要内容之一。

探地雷达技术作为一种无损监测高新技术，具有精度高、图像直观等特点。探地雷达可对对象作连续监测，能比较直观地表现监测目标物；探地雷达具有非破坏性探测、速度快、轻便小巧、抗干扰性强、分辨率高、操作方便等优点。且应用于路面厚度监测的探地雷达具有较高的垂向分辨率，其监测结果与实际钻孔取芯结果相差不足3mm，精度已经达到设计的4%。因此用探地雷达在道路投入使用后进行日常监测，可及时发现隐患，掌握道路的内在质量和使用寿命，对研究路面受损程度及影响因素，分析质量变化趋势与规律起着十分重要的作用，对预报预警也起到了重要作用。

b.路面损坏情况监测。

路面损坏状况监测，宜采用自动化的快速监测，横向监测宽度不得小于车道宽度的70%。监测设备应能够分辨1mm以上的路面裂缝，监测结果应采用计算机自动识别，识别准确率应达到90%以上。

采用人工方法调查时，调查范围应包含所有行车道，应按《公路技术状况评定标准》［2］表6-2、表6-3和表6-4规定的损坏类型实地调查。

路面损坏监测数据应以100m（人工监测）或10m（快速监测）为单位长期保存。

（2）防水层破坏挂冰监测

桥面的积雪融化后，从网裂的桥面及破坏伸缩缝位置下渗，形成冰柱，白天温度较高时，冰柱在融化过程中不断滴水，晚上温度下降，自桥面补充水源继续冻裂板间的连接混凝土，见图6-1。白昼车辆通过时由于振动，板间横向连接混凝土基本脱落殆尽，更有甚者，站在桥下通过缝隙可看到透过的光。同时，板两段的平板橡胶支座基本都发生老化剪切破坏，故有必要进行防水层破坏挂冰监测。

图6-1　铰接缝破坏挂冰

（3）支座监测

支座设置在桥梁的上部结构与墩、台之间，其作用是将桥跨结构上的各种荷载反力传递到墩台上，并能够适应活载、温度变化、混凝土收缩与徐变等因素所产生的位移。使上、下部结构的实际受力情况符合设计的计算图式。实际情况是其重要性往往被忽视，从而形成隐患，造成桥梁运营后的病害和经济损失［3］。支座破坏见图6-2。

图6-2　支座破坏

支座脱空是支座一个比较常见的病害，对各种不同跨径的桥梁，随着斜交角度的增大，梁板底与支座脱空的百分比明显增大。对于各种不同跨径的桥梁，随着桥梁跨径的增大，梁板底与支座脱空的百分比亦明显增大。支座脱空后，使板梁处于三点受力状态，在梁的自重和外力荷载作用下，其受力状态与设计时的受力状态发生了很大的变化。支座压应力将会大大提高，有可能超过其容许压应力，使支座受力不均匀或脱空。板梁除受弯外还受到扭矩的作用，支座脱空还会引起梁板之间剪力铰的破坏［4］。

（4）横向联系破坏监测

由于碳化、超载、防水层破坏及水进入湿接头微裂缝后冻融等多方面原因，致使横隔板相连位置的横向联系减弱或者丧失，就会产生某一块或多块板梁单独受力的情况（见图6-3）。桥梁出现单板受力病害后，由于荷载横向分布系数比设计值增大，板梁不能共同受力。某块板梁单独承受荷载，加剧单板疲劳破坏，使桥梁上部结构处于极为不利的受力状态。降低桥梁的耐久性和使用寿命，加速了桥梁病害的发展，对行车安全造成了极大隐患。

图6-3　横向联系破坏

（5）伸缩缝监测

目前发现的90%的伸缩缝基本上都是夹杂有杂物，杂物长期没有清理，使得伸缩缝的伸缩受到限制，致使伸缩缝断裂（见图6-4）。伸缩缝位于梁端构造的薄弱部位，由于伸缩缝要直接承受车辆荷载的反复作用，并且大多数伸缩缝要经受各种自然环境的作用，所以伸缩缝常常会发生破坏，较难修补。如果伸缩缝过早的破坏就会影响交通行驶的安全性和舒适性，甚至危及桥梁结构的使用安全。

图6-4　伸缩缝破坏

（6）裂缝监测

在实际工程中，钢筋混凝土桥梁结构裂缝的成因复杂，甚至由多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。如果不对裂缝进行系统全面的分析和研究，就很难揭示出桥梁病害产生的内涵和机理［5］。

裂缝的分类有多种，从安全角度考虑可分为安全的工作裂缝和非正常裂缝，按客观成因可分为先天裂缝、原生裂缝、后天裂缝；从力学机理角度可分为弯曲裂缝、剪切裂缝、局部承压裂缝、次裂缝；从结构承载力的影响的角度可分为结构裂缝和非结构裂缝两大类［6］。以下就从结构承载力影响的角度对裂缝进行分类分析［7］。

a.结构裂缝

结构裂缝是指由外荷载引起的裂缝，是预示结构承载力不足或下降的裂缝。这类裂缝的产生究其力学机理，都是因为结构整体或局部构件的强度、刚度、延性不足引起的。

剪切裂缝多发生在简支梁和连续梁支点附近剪应力最大的部位。方向主要由梁体下部开始与梁轴线呈左右斜方向展开。施工时，由于模板粗糙，浇筑时走动，使腹板变薄，而使原设计的抗剪刚度降低，工地上对竖向预应力张拉不足或压浆时间过于拖延导致受力筋受损出现了垂直裂缝，导致剪应力急剧增大，从而出现剪切裂缝。

混凝土梁体受弯矩作用而产生弯曲裂缝，又称垂直裂缝。正弯矩裂缝主要发生在梁的跨中，从底边开始向上发展，负弯矩裂缝位于连续或悬臂梁板的支座附近，自上向下发展。

混凝土构件受到强大的压力作用而产生受压膨胀裂缝，受到超过截面抗拉强度的拉力而产生拉裂缝。受压膨胀裂缝一般发生在析架拱桥的压杆上、拱桥的拱脚处。当杆件受压时，裂缝沿杆件方向平行，并向外产生横向变形，裂缝中间的宽度最大，随着荷载增大，最后形成分离的独立短柱，造成短柱破坏。

混凝土结构受到局部的拉、压或应力集中而产生的裂缝，包括梁体支座处受到的较大的局部压力，构件突然受到局部冲击，构件角隅处受到较大局部应力而引起的裂缝，这些裂缝随局部应力的形式不同而各异，没有固定的规律性。这类裂缝的出现主要是由于设计时没有考虑局部应力集中和局部配筋过小，应该在设计时考虑，如在截面突变部位设计承托或在局部进行应力分析增加配筋。施工时，如果模板变形等，也容易造成截面的突变而产生局部应力裂缝，见图6-5。裂缝产生后对混凝土结构的强度和刚度都有一定的影响。

图6-5　局部以应力裂缝

预应力结构应用很广泛，在结构中占了很大的比重，其力学性能比普通钢筋混凝土结构要复杂得多。预应力结构一般在无裂缝状态下工作，而实际上预应力结构产生的裂缝很多，形式复杂，现总结为预应力二次裂缝，这类裂缝主要是因为预应力结构设计不合理产生局部应力或二次应力过大，而局部配筋不满足要求或由于施工原因产生的预应力筋的布局改变而产生的结构性裂缝，见图6-6。

图6-6　预应力过大截面强度不足产生的纵向裂缝

b.非结构裂缝。

非结构裂缝是指由于混凝土不能满足自身的变形或因外界环境变化造成结构的非荷载变形等产生的适应性裂缝。这类裂缝暂时不会对结构的承载力造成危害，如果超过一定的限值，则会对结构美观性产生影响且会加速内部钢筋锈蚀，进而使得结构耐久性降低的同时其承载力也会减弱。

在施工时由于施工不当等原因，易产生裂缝。混凝土拌制时，混凝土水灰比超过了设计用量，水灰比过大，混凝土干缩量加大，会产生干缩裂缝。施工不当还会引起塑性裂缝，塑性裂缝是混凝土在塑态阶段形成的裂缝，是一种早期裂缝，一般有四种形态（见图6-7）。

图6-7　各种形态的塑性裂缝

第一种塑性裂缝是由于施工时振捣不充分，或混凝土的析水过多，造成混凝土发生沉降产生沿钢筋或导管方向的裂缝。第二种塑性裂缝是由于模板移动或鼓出，使混凝土在浇注后不久产生与模板移动方向平行的裂缝。第三种塑性裂缝是由于混凝土搅拌时间过长，使混凝土凝固速度加快，造成结构上的微裂缝。第四种塑性裂缝是由于混凝土养生不好，造成现浇混凝土表面水分蒸发过快，产生的不规则的裂缝。

混凝土受水泥水化放热、阳光照射、大气及周围温度、电弧焊接等因素的影响而出现冷热变化时，将发生收缩和膨胀，产生温度应力。温度应力超过混凝土强度时，即产生裂缝，此裂缝称之为温度裂缝。厚度太厚时，大体积混凝土易发生内外温差过大，如浇注后由于水化放热，内部温度高于外部温度，而极易产生裂缝。在混凝土施工时无妥善的散热措施，由于内外温差太大，很容易形成温度裂缝［8］（见图6-8）。

图6-8　温度裂缝

锈蚀裂缝主要是由于钢筋发生锈蚀，体积膨胀，对周围混凝土产生挤压，而导致开裂。钢筋腐蚀是混凝土桥中最主要的病害，是造成混凝土结构桥梁退化的主要原因，钢筋腐蚀的过程是一个复杂、综合的过程，钢筋腐蚀的程度对混凝土结构的抗弯强度、变形能力、延性、黏结强度以及失效模式有很大的影响。因此，腐蚀程度是预测钢筋混凝土结构寿命的一个主要参数。钢筋锈蚀主要是由于二氧化碳和氯离子的侵入造成的。二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土中的碱性物质进行中和，会导致混凝土值降低。当混凝土完全碳化后，混凝土中埋置的钢筋表面钝化膜逐渐被破坏，在其他条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。如果混凝土中存在氧气和湿气，氯离子的侵入也会破坏钝化膜，特别在滨海地区，氯离子的渗入会出现更严重的问题。尽管混凝土的渗透性很低，但在海滨环境下氯离子也能以相当快的速度渗透，使相当厚的混凝土覆盖层的使用寿命大大低于钢筋混凝土结构的正常寿命。

在混凝土强度不高的情况下，因保温措施不当，使其受到严寒袭击和冻融循环作用，表面严重受冻，因所含水分冻结膨胀，而使表面出现冻害裂缝。裂缝严重者有时呈不规则网状。

综上所述，桥梁结构裂缝的主要原因有两类，第一类是由外荷载作用引起的裂缝，是由直接应力即因弯矩、剪力、轴力等作用产生的主要应力引起的裂缝；第二类是由结构次内力引起的裂缝［9］。

裂缝宽度对桥梁的刚度和耐久性有很大的影响。裂缝观测的重点是结构受拉力较大部位，在加载过程中观测裂缝长度及宽度的变化情况，直接在混凝土表面进行描绘并记录。同时要仔细检查是否产生有新的裂缝。裂缝长度用钢尺量测、裂缝测宽仪观测。

各类荷载组合作用下裂缝宽度满足：

式中，δd——计入活载影响修正系数的短期荷载变形计算值；

　　　Z1——变位限值；

　　　δL——承载能力检算系数。

按照《公路桥梁承载能力监测评定规程》［10］中的裂缝限值表对裂缝进行评估。冻土区桥梁桩基依然需要监测预警，规范采用桥梁桩基规范并在一定范围内提高评定标准等级。

实际中，通常情况下普通钢筋混凝土是带裂缝工作的。当混凝土的裂缝宽度小于0.3mm时，钢筋不会诱蚀，为保守起见，颁布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004［11］规定：钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限值：Ⅰ类及Ⅱ类环境0.2mm；Ⅲ类及Ⅳ、Ⅴ类环境0.15mm。桥梁结构跨中底缘于抗弯承载力不足产生的弯曲裂缝，剪跨比在1～3之间由于抗剪承载力不足而产生的剪切裂缝，混凝土受压柱轴力过大被劈裂、超静定结构支座下沉、上部结构拉裂等，属于结构性裂缝。

（7）主梁监测

主梁一般是桥梁的主要承重结构，如果其发生病害，一是影响美观，二是影响使用寿命，严重时甚至还会威胁到人们的生命和财产安全。主梁病害主要有裂缝、腐蚀破坏、主梁挠度过大、斜交桥梁体横向错位、梁顶横向晃动以及单板受力等［12］。

裂缝是主梁病害的主要形成，主要发生的位置在梁的跨中、支座两侧、梁侧以及梁底，不同的位置其发生的原因也不同。跨中及支座处的裂缝主要是结构裂缝，而其余位置处的裂缝主要是非结构裂缝。

冻土区桥梁桩基监测研究成果

相关推荐