连续箱梁桥下挠分析及体外预应力加固评价

黄志斌，罗旗帜，吴有俊

（1.佛山市轨道交通发展有限公司，广东佛山528000；2.佛山科学技术学院土木工程与建筑系，广东佛山528000；3.佛山市公路桥梁工程监测站，广东佛山528041）

连续箱梁桥下挠分析及体外预应力加固评价

黄志斌1，罗旗帜2，吴有俊3

（1.佛山市轨道交通发展有限公司，广东佛山528000；2.佛山科学技术学院土木工程与建筑系，广东佛山528000；3.佛山市公路桥梁工程监测站，广东佛山528041）

由于设计理论、施工控制和后期养护等原因，某连续箱梁桥出现了严重下挠和箱梁开裂等病害。分析了该桥病害的成因，并采取了施加体外预应力进行加固。通过桥梁施工监控和荷载试验，验证了该加固措施能够较好的增加箱梁截面的压应力储备，改善梁体的抗裂性能，提高结构的整体刚度。该加固措施效果良好，可为以后同类工程实践提供借鉴。

箱梁桥；下挠；体外预应力；抗裂性

随着高强度混凝土、高强度钢筋和预应力等建桥技术的发展，预应力混凝土连续箱梁桥得到了广泛的应用。但由于早期设计理论和对该类桥型认识的局限性，以及施工质量控制不严和后期养护不及时等原因，导致了一些预应力桥梁结构在施工过程中或运营几年后出现不同程度的病害［1-5］。本文以某大跨径连续箱梁桥为例，分析了主梁下挠和箱梁开裂等病害的成因，并提出了采用体外应力等措施进行加固。通过加固设计分析、施工监控和荷载试验评价了该体外预应力的加固效果，得出了一些有益的结论，可为同类工程实践提供借鉴。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

某大跨径桥梁建成于1995年，桥梁全长2 401 m，其中主航道桥为（83+128+83）m预应力混凝土连续箱梁结构，主梁采用单箱单室变截面箱梁，根部梁高7.0 m，跨中梁高2.6 m，梁高采用二次抛物线过渡，箱梁顶板宽12.5 m，底板宽7.2 m，材料采用C50混凝土。桥梁主墩采用薄壁矩形实心墩，群桩基础，见图1。设计荷载为汽-超20级，挂-120，按照一级公路设计。

图1 桥梁结构示意图（单位：cm）

1.2 桥梁病害情况

经过20年的运营后，该桥出现了如下病害：

（1）箱梁出现了较为严重的下挠现象，其中128 m主跨箱梁两侧分别下挠23.42 cm、22.17 cm，其挠曲变形已超过设计规范［6-7］的限值要求（L/600= 21.33 cm）。

（2）箱梁腹板出现较多的竖向和“L”型裂缝，且裂缝宽度较宽，个别裂缝宽度达0.20 mm，属结构受力裂缝。

（3）箱外底板和箱内顶板普遍存在纵向裂缝，个别裂缝有渗漏、析白的现象，少数裂缝宽度超限。

（4）箱梁表面多处存在不同程度的蜂窝、破损、露筋等病害。

2 桥梁病害分析

2.1 主跨跨中下挠成因分析

桥梁主跨跨中下挠的原因包括：纵向预应力钢束设置不合理，未设置腹板下弯索；预应力张拉时底板崩裂和管道压浆不饱满，导致纵向预应力有效性降低；混凝土结构长期收缩和徐变，导致预应力构件预应力损失；施工控制不严，预拱度设置偏差；沥青混凝土层加铺和车辆超载，导致恒载和活载的增加。

2.2 腹板“L”型裂缝成因分析

箱梁腹板“L”型裂缝形成的原因包括：预应力有效性不足，导致箱梁弯曲开裂；偏载效应的影响，导致偏载侧腹板与底板相交处开裂；日照温差的影响，导致腹板竖向裂缝的扩展。

2.3 箱外底板纵向裂缝成因分析

桥梁箱外底板纵向裂缝形成的原因包括：箱梁底板横向配筋不足，预应力钢束张拉产生径向的下崩力，导致混凝土纵向开裂；混凝土保护层偏薄，混凝土振捣不密实，在长期风化作用下导致混凝土纵向开裂。

2.4 箱内顶板纵向裂缝成因分析

桥梁箱内顶板纵向裂缝形成的原因包括：顶板横向未配置预应力钢束，在各种荷载作用下，导致箱内顶板纵向开裂；箱梁合拢时产生的附加应力和保护层偏薄，导致箱梁结构沿合拢束纵向开裂。

3 加固措施

由以上的桥梁病害成因分析可知，该桥较为严重的病害为主跨跨中下挠和腹板“L”型裂缝，二者都与箱梁纵向预应力有效性的降低有较大关系［8-9］，因此该桥主要的加固措施如下：

（1）为提高箱梁的纵向预应力度，抑制梁体下挠，提高跨中截面抗弯承载能力，在该桥边跨设置4束体外预应力索，中跨设置6束体外预应力索，通过设置转向块，锚固在墩顶横隔板现浇的锚固块上，见图2。钢绞线采用单层无粘结环氧喷涂钢绞线，每束19股（19-φs15.24 mm），标准强度fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，锚下控制张拉应力σcon=0.60fpk=1 116 MPa。边跨采用单端张拉，中跨采用两端张拉。

图2 体外预应力钢束布置图（单位：cm）

（2）为保证体外索张拉过程中箱梁底板不发生崩裂现象，在箱梁跨中位置的施工接缝及其箱梁底板及腹板采用包夹钢板加固。内、外侧钢板间锚栓采用对拉布置，以达到增加底板内竖向勾筋的效果，增强底板整体性。

（3）对于裂缝宽度≥0.15 mm的裂缝，采用压力灌注法；对于裂缝宽度＜0.15 mm的裂缝，采用表面封闭法；对于箱梁板底的空洞、波纹管外露病害，先凿除松散的混凝土，通过预留的压浆孔对波纹管上侧孔隙进行压浆，压浆材料采用环氧基型水泥浆。

4 加固计算分析

采用桥梁大型有限元计算软件MIDAS/Civil和MIDAS/FEA对箱梁施加体外预应力钢束后进行受力模拟，计算模型见图3，分析了该桥在四种设计荷载组合作用下的受力状况（组合1：恒载+汽车；组合2：恒载+支座沉降+汽车+温度梯度升温；组合3：恒载+支座沉降+汽车+温度梯度降温；组合4：恒载+挂车）［10-11］。

图3 桥梁有限元计算模型

4.1 正截面抗弯承载力验算

在各荷载组合作用下，桥梁控制截面最大弯矩与结构抗力对比情况见表1，在加固后主梁各正截面最大弯矩均小于结构抗力，安全系数在1.28～1.58之间，满足规范要求，且加固后的结构抗力比原桥结构提高了1.06～1.18倍。

表1 最大弯矩与结构抗力对比表

4.2 斜截面抗剪承载力验算

在各荷载组合作用下，桥梁控制截面最大剪力与结构抗力对比情况见表2，在加固后主梁各斜截面最大剪力均小于结构抗力，安全系数在1.13～1.27之间，满足规范要求，且加固后的结构抗力比原桥结构提高了1.09～1.11倍。

表2 最大剪力与结构抗力对比表

5 桥梁施工监控分析

为使该桥加固效果能达到设计成桥状态，并保证在加固过程中安全可靠，避免加固过程中产生二次病害，在加固实施过程中对该桥进行了施工监控［12-13］。监控的主要内容为主梁挠度和关键截面应力的变化情况。

5.1 挠度监控分析

挠度测点布置在桥面连续梁墩顶、L/8、L/4、3L/8、L/2（L为各跨跨径）处，分左、右两侧测量。根据加固前的检测报告可知，该桥主跨箱梁两侧分别下挠23.42 cm、22.17 cm，从图4可以看出，体外预应力张拉后，其桥面线型虽有改善，但尚存在不平顺的现象，这与体外预应力加固主要目的为提高桥梁的压应力储备，对很好的改善桥梁线型有一定的局限性。

图4 体外索张拉后的桥面线型

图5为体外索张拉箱梁挠度变形实测值与理论值比较情况，由图5可以看出，该桥两侧主跨跨中分别上翘22.60 mm、25.83 mm，而理论值均为24.97 mm，其实测值与理论值的比值为0.905和1.034，实测挠度与理论值变化趋势相吻合，且两侧挠度上翘数值相当，桥梁结构不存在空间扭转现象，变形属于正常范围内。

图5 体外索张拉挠度变形情况

5.2 应力监控分析

应力监测的控制截面包括：中墩墩顶附近、边跨L/4、边跨L/2、中跨L/4、中跨L/2（L为各跨跨径），见图6。

表3为各截面的应力监控情况对比表，由表3可以看出，各截面在体外索张拉过程中，其压应力储备得到了不同程度的提高，实测压应变最大值为中跨跨中箱内底板位置，其压应变为102.1με，按照C50混凝土弹性模量为3.45×104MPa计算，其压应力为3.52 MPa，说明体外索的张拉有效改善了箱梁的受力状况。且通过与理论值的比较，得知各截面实测值与理论值较为接近，其比值约在0.7～0.9之间，应力情况属于正常范围内。

图6 应变监控截面示意图（单位：cm）

表3 应力监控情况对比表

6 桥梁荷载试验分析

6.1 试验加载

通过桥梁荷载试验，对桥梁承载能力、工作状态进行综合评估，评价加固的效果，判定该桥是否能够正常交付运营使用。采用弯矩等效原则，对该桥进行了桥梁荷载试验［14-15］，并与加固前的荷载试验做对比。针对主跨下挠严重的情况，荷载试验截面选取中跨跨中，加载采用8台300 kN重车，在设计荷载（公路-Ⅰ级）作用下该截面理论弯矩为24 460.3 kN・m，本次试验弯矩为23 151.6 kN・m，试验荷载效率为0.946。

6.2 试验结果分析

加固前后的实测挠度值与理论计算值比较情况见图7，从图7可以看出，加固前的跨中最大实测挠度为44.69 mm，与理论计算值46.63 mm相当，其挠度校验系数接近于1。加固后的跨中最大实测挠度为36.91 mm，小于理论计算值，其挠度校验系数为0.792，且实测值与理论计算值曲线的变化趋势一致，这表明了采用体外预应力加固的方法，有效提高了该桥主跨的整体刚度。

图7 实测挠度与理论计算挠度比较

加固前后的跨中底板跨裂缝布置的实测应变值与理论计算值比较情况见图8，从图8可以看出，加固前的实测应变值随着荷载的增加呈现抛物线增长，且实测值大于理论计算值，这表明加固前该梁体的抗裂性能较差，梁体处于开裂的工作状态。加固后的实测应变值随着荷载的增加呈现线性增长，且实测值均小于理论计算值，这表明采用体外预应力加固的方法，有效改善了该梁体的抗裂性能，梁体处于弹性工作状态。

图8 实测应变与理论计算应变比较

7 结 论

（1）通过对该预应力连续箱梁桥主梁下挠和箱梁开裂等病害的成因分析，提出了采用体外预应力等措施进行加固，加固设计分析表明该方法能够较好提高桥梁的承载能力，改善病害桥梁的受力状况。

（2）通过对该桥体外预应力加固的全过程施工监控，其应力和位移的实测值与理论计算结果基本吻合，说明该加固达到了设计目的。箱梁各截面在体外索张拉过程中，其压应力储备得到了不同程度的提高。

（3）体外预应力张拉对桥面线型虽有改善，但尚存在不平顺的现象，这与体外预应力加固主要目的为提高桥梁的压应力储备，对很好的改善桥梁线型有一定的局限性。（4）从加固前后的荷载试验比较，体外预应力张拉对裂缝产生了明显的闭合效应，有效改善了梁体的抗裂性能，提高了结构的整体刚度。

［1］ 李红霞，吴 骏.某连续刚构桥开裂原因分析及加固设计［J］.水利与建筑工程学报，2013，11（6）：180－185.

［2］ 崔学常，杨植春.某大跨径连续刚构桥底板崩裂后的结构损伤评估［J］.桥梁建设，2015，45（3）：115－119.

［3］ 程 辉，周新亚，龚永红.预应力混凝土连续箱梁桥维修加固与监控［J］.现代交通技术，2015，12（5）：51－54.

［4］ 贺志勇，陈辉杰，张树春.某T形刚构桥体外预应力加固效果评价［J］.中外公路，2015，35（4）：145－149.

［5］ 杜 元.预应力混凝土连续箱梁加固计算研究［J］.铁道建筑，2016（3）：36－40.

［6］ 中华人民共和国交通部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60-2004［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［7］ 中华人民共和国交通部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG D62-2004［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［8］ 郑 伟，吴毅彬，袁鑫等.体外预应力索加固大跨径连续刚构桥空间受力技术分析［J］.公路，2014（1）：26－30.

［9］ 刘伟明，刘新亮.体外预应力在连续箱梁桥加固中的作用［J］.公路，2012（7）：92－94.

［10］ 王永伟，郭艳芹，李 磊.郑州黄河公路大桥加固综合施工技术［J］.水利与建筑工程学报，2015，13（1）：70－73.

［11］ 叶锡钧，安关峰，周朝阳.预应力混凝土连续箱梁桥加固方案及效果评价［J］.施工技术，2014，43（4）：20－23.

［12］ 巴 力，贺一新，邓志飞.大跨径预应力混凝土连续刚构桥加固施工监控［J］.铁道建筑，2009（3）：89－92.

［13］ 余超良.体外预应力加固连续梁桥施工监控研究［J］.中外公路，2013，33（6）：202－204.

［14］ 罗旗帜，杜嘉斌，吴幼明，等.连续曲线箱梁模型试验研究［J］.实验力学，2006，21（4）：502－512.

［15］ 中华人民共和国交通运输部.公路桥梁荷载试验规程：JTG/T J21-01-2015［S］.北京：人民交通出版社，2015.

Deflection Analysis and External Prestressing Reinforcement Evaluation of Continuous Box－Girder Bridge

HUANG Zhibin1，LUO Qizhi2，WU Youjun3
（1.Foshan Metro Co.，Ltd.，Foshan，Guangdong 528000，China；2.Department of Civil Engineering，Foshan University，Foshan，Guangdong 528000，China；3.Road and Bridge Engineering Monitoring Station of Foshan City，Foshan，Guangdong 528041，China）

Due to the design imperfection，construction control，maintenance management and many other reasons，a continuous box－girder bridge was severely under diseases such as deflection and crack.In this paper，the causes of these diseases were analyzed and the external prestressing was applied to reinforce the bridge.Through the bridge construction monitoring and load tests，it is proved that the reinforcement measures can increase the stress reserves and improve the cracking resistance and strengthen the overall stiffness of the bridge.This reinforcement measures have good effects which can provide reference for the similar projects in future.

box－girder bridge；deflection；external prestressing；cracking resistance

U445.7

A

1672—1144（2016）05—0075—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.014

2016－06－07

2016－07－03

国家自然科学基金资助项目（50978058）；全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目（200954）；广东省自然科学基金资助项目（S2011010005037）

黄志斌（1983—），男，广东佛山人，硕士，工程师，主要从事桥梁结构与地下空间结构方面的工作。E－mail：81525309@qq.com