某预应力连续箱梁使用状态评定及病害原因分析

林源锋

(广东省高速公路有限公司 广清分公司，广东 清远 511542)

1 病害桥梁概述

某高速公路预应力混凝土连续箱梁跨径组合为4×20 m，上部结构采用预应力混凝土连续箱梁，单箱单室截面，箱梁顶板宽12.23 m，底板宽6.73 m，梁高140 cm，桥面铺装采用9 cm沥青混凝土。桥梁设计荷载采用汽车—超20级，验算荷载为挂车—120级。桥梁横断面一般构造如图1所示。

图1 桥梁横断面一般构造(单位:cm)

从该桥的检查情况来看，连续箱梁截面腹板下缘竖向开裂，底板存在横向裂缝，部分裂缝已贯通底板，部分施工缝处存在开裂现象，典型桥跨箱梁裂缝展开见图2。由于该桥拟进行整体式拓宽，桥梁结构需要进行拼接，拼接前结构承载能力极限状态应满足设计规范的要求，出现病害后的连续箱梁承载能力及正常使用状态是否满足要求成为摆在设计单位面前的难题。为了准确评估连续箱梁目前的受力状态，本文通过荷载试验的方法对结构的承载能力及应力状态进行了测试，为该桥的病害原因分析提供基础资料，为该桥拓宽拼接设计提供技术支持。

2 梁体使用状态评定

由于该桥连续箱梁为预应力混凝土构件，在正常使用阶段是不允许出现裂缝的，为分析该桥裂缝的性质，了解桥梁目前的实际受力状态，为后期加固设计提供依据，梁体使用状态评定的主要思路为:测试车辆荷载作用下梁体主要控制截面的受力情况，分级加载测试裂缝的扩展情况，分析梁体的预应力储备，对桥梁的受力状态进行评价。

根据上述工作思路，梁体使用状态评定的工作内容有:

1)测试常规测试截面(边跨0.4L、中跨跨中、墩顶负弯矩截面)在试验荷载下的应力和挠度，分析主要控制截面的受力状态，L为跨长。

2)测试裂缝截面、施工接缝截面在试验荷载下跨裂缝测点及裂缝附近测点应变变化情况，分析裂缝的性质，对梁体的预应力储备进行评价。

3)根据上述测试结果，对桥梁的总体受力状态进行综合评价，为加固设计提供依据。

2.1 常规测试截面

常规测试截面应力测试沿桥纵向及截面高度方向布置应变测点，分析试验荷载作用各截面的应力分布情况。

图2 典型桥跨箱梁裂缝展开(裂缝宽度单位:mm;距离单位:cm)

2.1.1 中跨跨中截面

1)由于试验加载过程中截面出现开裂，受开裂处应力集中影响，各抗裂测点平均应变远远偏离该拟合直线，应变也远大于按线性推算的应变值。实测截面下缘表面平均拉应变为125×10－6，计算拉应变为71×10－6，实测混凝土表面应力远大于计算应力值，不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》中关于预应力混凝土梁桥应变校验系数在0.5～0.9之间的要求。

2)最大级试验荷载作用下，抗裂测点应变分布于26×10－6～373 ×10－6，实测应变值非常不均匀，个别测点实测应变随荷载效率增加出现退化和畸变现象。由此可见，该截面工作状态不良，抗裂性不满足要求。

3)实测梁体挠曲线与计算挠曲线规律一致，但梁体实测挠度均大于计算挠度。在最大级试验荷载作用下，实测挠度平均值为4.57 mm，计算挠度为3.20 mm，实测挠度大于计算挠度，不满足《评定规程》中预应力混凝土梁桥挠度校验系数在0.6～1.0之间的要求。

2.1.2 边跨—次边跨墩顶截面

1)截面应变沿截面高度基本呈线性变化，实测中性轴平均高度为97.6 cm，计算中性轴高度为89.0 cm，实测值略大于计算值。实测截面下缘平均压应变为 －56 ×10－6，计算下缘压应变为 －62 ×10－6，其应力校验系数为0.903，基本满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》中关于预应力混凝土梁桥应变校验系数在0.5～0.9之间的要求。

2)在各级试验荷载下，墩顶截面上缘最大拉应变数值较小，且变化均匀，无退化和畸变现象出现，该截面抗裂性满足要求。

2.1.3 边跨0.4L截面

1)截面应变沿截面高度基本呈线性分布，实测截面平均中性轴高度为95.8 cm，计算值为90.5 cm，两者较接近。实测截面下缘表面平均拉应变为86×10－6，计算拉应变为82×10－6，应力校验系数为1.049，不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》中关于预应力混凝土梁桥应变校验系数在0.5～0.9之间的要求。

2)各抗裂测点实测应变值不均匀、离散性较大，说明混凝土匀质性较差。

3)实测梁体挠曲线与计算挠曲线规律一致，但梁体实测挠度大于计算挠度。最大级试验荷载作用下，实测挠度平均值为4.93 mm，计算挠度为4.08 mm，实测挠度大于计算挠度，不满足《评定规程》中预应力混凝土梁桥挠度校验系数在0.6～1.0之间的要求。

2.2 裂缝截面测试

2.2.1 次边跨跨中附近开裂截面

1)受开裂处应力集中影响，截面线性关系较差。实测截面下缘表面平均拉应变为243×10－6，理论计算拉应变为71×10－6，混凝土实测表面应力远大于计算应力值，不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》中关于预应力混凝土梁桥应变校验系数在0.5～0.9之间的要求。

2)各抗裂测点实测应变值非常不均匀，最大级加载下最大应变835×10－6，且裂缝旁测点实测应变随荷载效率增加出现退化现象。可见，该截面抗裂性不满足要求。此外，根据部分测点荷载—应变关系曲线图，推算该截面在0.5倍的汽超—20级荷载下已出现消压，部分底板测点可能在恒载作用下已出现消压。

2.2.2 次边跨施工接缝截面

该截面中性轴高度较其余截面已明显上移，截面刚度弱化显著。实测截面下缘表面平均拉应变为438×10－6，计算拉应变为 45 × 10－6，混凝土实测表面应力远大于计算应力值，不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》中关于预应力混凝土梁桥应变校验系数在0.5～0.9之间的要求。此外，在试验荷载下，截面抗裂测点应变均远大于计算应变值，说明该截面裂缝为受力裂缝，梁体预应力度存在明显不足。

2.3 使用状态评定结论

综合上述试验结果可知，该桥预应力混凝土连续箱梁预应力度存在不足，梁体裂缝为受力裂缝，由于梁体裂缝的产生导致梁体刚度有明显下降，梁体受力不满足原设计荷载(汽车—超20级、挂车—120级)的正常使用要求。

3 病害原因分析

为了分析该桥病害原因，本文采用有限元程序对结构进行了验算，验算结果表明，承载能力极限状态边跨0.4L截面抗力存在约4%的不足;正常使用极限状态梁体截面法向压应力和主压应力满足规范要求，截面法向拉应力和主拉应力不能满足原设计规范的要求。主梁刚度满足规范要求。

根据荷载试验结果，本文提出了如下两个修正模型:

1)修正模型1为该桥三道施工接缝处截面刚度按开裂截面考虑;

2)修正模型2为该桥三道施工接缝处截面及中跨跨中12 m范围梁体刚度按开裂截面考虑。

未修正模型及两个修正模型加载响应计算结果对比如表1。

表1 梁体模型修正前后加载响应计算值对比

根据上述计算及试验结果，初步分析该桥产生病害的原因可能是施工接缝处连接器施工不良引起的。由于施工接缝处连接器施工不良，使该接缝截面出现开裂，梁体主控截面内力增大，中跨跨中、边跨0.4L截面挠度亦增大(修正模型1)。由于施工接缝处连接器施工不良引起梁体施加的预应力达不到预计的效果，以及由于接缝截面开裂引起梁体主控截面内力增大，导致梁体主控截面(第三跨跨中附近)出现开裂，而主控截面开裂后则进一步引起其他截面内力增大，梁体挠度进一步增大(修正模型2)。此外，加上该桥超载车较多，交通量也在逐年增大，这也使梁体的状态进一步劣化。由于以上的综合效应，导致该桥出现严重开裂，预应力度不足以及梁体刚度较大弱化等病害。

4 结论

由于采用支架逐孔现浇施工，预应力混凝土连续箱梁施工时不可避免地需要设置施工接缝，采用预应力连接器，虽然施工接缝一般设置在梁体弯矩反弯点，受力较小，但是如果施工时该处施工工艺不良，仍然可能造成接缝截面处出现开裂病害。接缝截面开裂导致梁体刚度发生变化，截面内力将出现重分布现象，使其它截面受力不能满足设计要求。本文通过荷载试验和理论计算的方法，对出现病害的预应力连续箱梁进行了使用状态评定及病害原因分析，为采用支架逐孔现浇施工和预应力连接器的类似结构和新建预应力连续箱梁的现浇施工提供经验借鉴。

［1］徐光辉，胡明义.梁桥［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］范立础.桥梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］黄棠，王效通.结构设计原理［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［4］郭凡，杨永清，刘国军.预应力混凝土连续箱梁桥施工中腹板斜裂缝分析［J］.铁道建筑，2010(11):24-26.

［5］赵华庆，史卫滨.空心板梁底板纵向裂缝成因分析及加固对策［J］.铁道建筑，2011(3):4-5.