现浇刚构连续箱梁裂缝修复加固技术措施

2012-07-24蔡其华

四川建筑 2012年3期

蔡其华

(中铁二局大西铁路客运专线指挥部第一项目部，山西运城043800)

由于大跨径连续梁桥具有造价低、截面刚度大、施工工艺成熟、养护简单等优点，在我国的城市交通和高速公路、铁路中都得到广泛应用。大跨径连续梁桥一般采用预应力混凝土变截面连续箱梁，采用挂篮悬臂浇筑的施工方法。尽管技术规范、验收标准、设计文件对大跨径预应力连续梁施工控制有严格要求，但是现场施工中由于预应力管道定位误差超标、混凝土施工质量控制不严、张拉顺序不合理和人为失误等原因致使预应力筋张拉后局部混凝土产生裂缝，预应力混凝土结构抗渗性和耐久性降低，危及结构的使用安全，对出现裂缝的梁体必须进行修复加固。本文以衡昆国道主干线云南富宁至广南高速公路苏古特大桥(65+110+65)m三跨预应力混凝土连续刚构箱梁出现的裂缝病害进行研究，提出对箱梁的修复加固技术措施。

1 工程概况

衡昆国道主干线云南富宁至广南高速公路苏古特大桥上部结构为(65+110+65)m三跨预应力混凝土连续刚构箱梁。箱梁根部高度6.5 m，跨中高度2.5 m;箱梁根部底板厚70 cm，跨中底板厚28 cm;箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次抛物线变化。箱梁腹板根部厚60 cm，跨中厚40 cm;箱梁腹板厚度在腹板变化段按直线段渐变，由厚60 cm变至40 cm。箱梁顶板厚度25 cm，顶宽12 m，底宽6 m，顶板悬臂长度3 m，悬臂板端部厚15 cm，根部厚70 cm。采用三向预应力。纵、横向预应力采用美国ASTM A416－97A标准270级高强度低松驰钢绞线，标准强度1 860 MPa，设计锚下张拉控制应力1 395 MPa。箱梁纵向钢束每股直径15.24 mm，大吨位群锚体系;顶板横向钢束每股直径12.7 mm，扁锚体系;竖向预应力采用精轧螺纹钢筋。纵向预应力束管道采用预埋塑料波纹管成孔，真空辅助压浆工艺。横、竖向预应力束(筋)管道采用预埋金属波纹管成孔。混凝土采用C55混凝土。

2 梁体裂缝分布情况

2008年2月在交工验收检查中发现苏古特大桥右线桥2号墩中跨10号段(合龙段)梁底两侧及中间有横斜向裂缝，崩裂0.1～3 mm宽。左侧边缘至2.2 m范围有裂缝约7条，右侧边缘至1.5 m范围有裂缝约5条，左侧延伸至9号段1.2 m长，右侧延伸至9号节段0.7 m长。

3 裂缝原因分析及处理措施

苏古特大桥右线桥2号墩中跨10号段箱梁内顶板、腹板、底板、齿板均未发现有裂纹，只有梁底两侧及中间有纵斜向裂缝，初步分析认为是因为施工10号段混凝土时造成底板连续钢束位置与设计位置偏差，在中跨合龙后张拉底板连续钢束时产生的裂缝。

由于本桥所有钢束均已经张拉完毕，且已灌浆封锚，加固方案遵循保持原预应力钢束不动，尽量减少对原结构造成损伤的原则。拟采用在箱梁底板增设横向肋，裂缝采用灌注环氧浆封闭裂缝法对裂缝进行封堵。

3.1 加固前箱梁受力分析

本桥中跨跨中附近梁段，底板布置了20根19j15.24钢绞线，钢绞线设计锚下控制张拉应力1 395 MPa，经理论计算分析，在跨中附近区段，钢绞线的有效张拉应力约为1 255.5 MPa，底板预应力钢束弯曲半径为800 m。据此，每根钢绞线对跨中底板产生的径向力为4.175 kN/m，即在此区段内，每个断面跨中底板作用着由钢束产生的83.5 kN/m的等效荷载，这组荷载的直接效应就是对箱梁的底板产生弹性内力。箱梁底板钢束产生径向力的示意如图1所示。

采用空间结构分析程序对该桥出现病害梁段进行建模分析。混凝土单元采用SOLID45单元，边界条件按实际受力状况进行模拟，预应力采用等效荷载法按照各箱梁节段的顺桥向长度，沿着对应预应力钢束位置处的各节点施加竖向均布荷载，该荷载即为预应力张拉所产生的径向力。计算荷载时，充分考虑了预应力的损失，建模如图2所示。

经过计算，在底板预应力钢束径向力作用下，合龙段处底板最大竖向拉应力发生在倒角附近，应力值为0.55 MPa，合龙段处底板最大横向拉应力发生在底板底层，应力值为0.6 MPa(图3、图4)。

从以上计算结果可以看出，底板应力相对较小，考虑普通钢筋作用，在张拉预应力时底板拉崩的可能性很小，底板出现拉崩的主要原因应为施工时底板防崩钢筋没有有效布置所致。

由底板预应力钢束竖弯引起的径向力，对底板混凝土产生一定的拉应力，随着混凝土拉应力的增加，存在该局部区段形成裂缝的可能。取跨中有病害梁段计算，该部分梁段通过19j15.24的预应力钢束20束，钢束竖弯半径R=800 m，每根钢束的径向力为4.175 kN/m。

新增横向肋高70 cm，肋宽60 cm，采用矩形断面进行设计。经计算横向肋跨中最大计算弯矩Mj=135.7 kN·m。

按照承载能力极限状态进行配筋计算，采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023－85)第4.1.6条公式，经计算配置钢筋面积A g=17.8 cm2(采用4根25的钢筋)，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023－85)第4.2.5条公式，经计算，裂缝宽度δf=0.12 mm，满足规范要求。

图1 钢束径向力示意

图2 有限元整体计算模型

图3 加固前竖向拉应力云图

图4 加固前横向拉应力云图

3.2 新增横向肋局部应力分析

3.2.1 模型建立

采用在箱梁节段内增设横向肋的方式进行箱梁底板加强，对加肋后箱梁底板的应力情况进行建模计算分析。采用SOLID45块体单元进行建模，具体模型如图5所示。

图5 有限元整体计算模型

3.2.2 结果分析

经过建模计算分析，增设横向肋后，箱梁底板应力有所降低，箱梁底板倒角最大拉应力为0.3 MPa，箱梁横向拉应力为0.4 MPa，较加固前的应力降低幅度约为45%，且均满足设计规范要求(图6、图7)。表明增设横向肋后，起到了降低底板混凝土拉应力、防止底板开裂的作用。

图6 竖向拉应力云图

图7 横向拉应力云图

3.3 修复加措施

(1)在需要修补裂缝的梁段下安装底板吊架。

(2)裂缝修补措施:对于裂缝宽度大于或等于0.15 mm裂缝，进行灌浆处理;对于宽度小于0.15 mm裂缝，进行表面封闭。

(3)在新增横肋施工前，应利用原箱内跨中处临时固结底座进行压重，待新增横肋施工完成且混凝土达到设计强度后，再拆除合龙段的临时固结底座。

(4)按照加固设计图，首先凿毛增设横肋处底板及腹板混凝土并种植钢筋，凿除跨中新加横向肋范围原底板横向钢筋保护层混凝土。在凿除过程中，应注意不要损伤底板原纵向钢筋及横向钢筋，在原横向钢筋处帮焊一根16横向钢筋，穿U形钢筋箍住横向钢筋，穿过底板与横肋钢筋牢固焊接，注意沿底板钻孔灌注改性环氧胶使受力钢筋与混凝土之间形成整体。同时在底板浇筑横肋处开凿剪力槽，以利于后浇混凝土的充分结合。对凿除区域进行浇筑聚合物混凝土进行修复，浇筑横向肋成型、养护，达到设计强度。