大跨度连续梁桥病害成因分析

2016-12-09李邦映屈计划

工程与建设 2016年3期

关键词：主拉徐变梁桥

李邦映，屈计划

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088)

大跨度连续梁桥病害成因分析

李邦映，屈计划

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088)

大跨度预应力混凝土连续梁桥在运营一段时间之后，容易出现箱梁腹板斜向或竖向开裂，底板纵向、横向或斜向开裂，顶板纵向开裂，跨中变形等病害，影响桥梁结构安全和正常使用，有必要进行维修加固，维修加固目标确定和方案选择应建立在对病害现状充分了解、病害成因基本清晰的基础上。以某高速公路上的一座大跨度预应力混凝土连续梁桥为例，分析该桥病害出现的可能原因，提出维修加固主要目标。

预应力混凝土；连续梁桥；病害成因；维修加固

预应力混凝土连续梁桥由于具有施工工艺简单成熟、材料来源广、工程造价低、使用性能好、运营养护简单等优点，得到迅速发展和应用，在我国现役桥梁中占有较大的比重。但由于施工控制、材料选择和养护等方面的问题，大跨度预应力混凝土连续梁桥在运营一段时间之后，容易出现箱梁腹板斜向或竖向开裂，底板纵向、横向或斜向开裂，顶板纵向开裂，跨中变形等病害，影响桥梁结构安全和正常使用，有必要进行维修加固[1-7]，但维修加固目标确定和方案选择应建立在对病害现状充分了解、病害成因基本清晰的基础上，盲目加固除了可能造成浪费，甚至会对结构产生反效果。特别是目前检测技术仍停留在外观检查、强度检测等常规检测方面[8]，预应力损失检测等尚无成熟方法，理论分析、经验判断仍是桥梁病害分析的主要手段。

本文以某高速公路上的一座大跨度预应力混凝土连续梁桥为例，分析该桥病害出现的可能原因，提出维修加固主要目标。

1 工程概述

某桥为60 m+100 m+60 m三跨预应力混凝土变截面连续梁桥(图1)，单幅桥面宽16.75 m，桥面布置为：0.5 m防撞护栏+15.75 m行车道+0.5 m防撞护栏，桥面横坡为2%，设计汽车荷载等级为：公路-I级[9]。

上部结构箱梁为单箱单室结构，箱梁根部梁高550 cm，跨中梁高220 cm，箱梁梁高按二次抛物线线型变化。箱梁顶板宽1 655 cm，底板宽800 cm，翼缘板悬臂长为427.5 cm；支点附近腹板厚度为75 cm，跨中腹板厚度为60 cm；底板厚度支点附近为70 cm，跨中为30 cm，中间按照二次抛物线变化；悬臂端部厚度20 cm，根部厚度为90 cm，箱内顶板厚度为28 cm。箱梁横桥向顶板设2%的横坡。箱梁标准横断面，见图2所示。箱梁采用纵、横、竖三向预应力体系，混凝土强度等级为C50。

图1 桥梁总体布置图

图2 箱梁标准横断面图(单位：cm)

2 主要病害

(1) 箱梁底板横向、纵向、斜向开裂，边跨箱梁底部有纵桥向裂缝，数量不多，缝宽均小于0.2 mm，裂缝无扩展趋势；中跨箱梁底部有多条裂缝，绝大部分裂缝分布在1/4～3/4L范围内，跨中部分为横桥向裂缝，其他区段以斜向为主，个别裂缝宽度大于0.2 mm。

(2) 箱梁腹板斜向或竖向开裂。箱梁腹板有多条竖向或斜向裂缝，下部均与底板裂缝交叉，上部大多数已超越1/2梁高，有的已经延伸至翼缘板与腹板交界处，方向基本上与主拉应力方向垂直，个别裂缝宽度大于0.2 mm，经箱室内检查，此类裂缝大部分内外已贯通。

(3) 桥面护栏及路面线形不平顺，箱梁中跨局部变形明显，与竣工高差相比，局部最大变形量达到13 cm。

3 病害成因分析

3.1 混凝土收缩徐变因素的影响

混凝土收缩徐变与空气湿度、加载龄期、计算龄期等因素有关，桥位处的湿度、预应力张拉时的加载龄期都有可能导致箱梁中跨合龙段附近梁段主拉应力超标或底板出现横向拉应力，如加载龄期为7 d时的徐变系数是加载龄期为14 d时的1.14倍[10]。在理论收缩徐变计算参数下，不同计算龄期对本桥混凝土主拉应力及正应力的影响见表1所列。

表1 收缩徐变的理论影响

该桥建成通车至今约有7年时间，收缩徐变从表1的理论计算结果可以看出，建成通车运营至今，收缩徐变对箱梁主拉应力及变形增加影响较小，对正截面应力有较明显的影响。

以上仅为按照规范中的收缩徐变函数及终极值进行的理论计算，实际上收缩徐变是离散性比较大的参数，涉及到材料配合比、加载龄期、荷载作用时间等诸多因素，根据类似桥梁的研究结果：徐变终极值增大1.2倍时，10年后的长期变形达到修正前的1.5倍；当增大1.8倍时，长期变形达到4.35倍[6]。另外，在梁体开裂后，结构应力重分布使得顶底板的应力差增加，而当混凝土压应力增加时，除了弹性应变以及相应的徐变外，徐变系数也会随之增加。徐变的加剧又将增加其引起的预应力损失，而预应力损失引起的应力重分布又反过来增加徐变效应。因此，混凝土的开裂将引起与预应力、混凝土收缩徐变的强烈耦合效应。

3.2 预应力损失的影响

(1) 纵向预应力损失的影响。以运营至今2 500 d的原结构作为基础模型，预应力损失对箱梁的影响见表2所列、图3所示。

表2 纵向预应力损失的影响

图3 纵向预应力损失15%时箱梁抗裂验算结果(单位：MPa)

根据计算结果，纵向预应力损失15%后，中跨跨中底板拉应力集中在合龙段附近第3～4个梁段，底板拉应力的位置及范围与检测情况基本一致，此时中跨跨中合龙段附近梁段主拉应力仅为-0.81 MPa，未超过规范限值。

(2) 竖向预应力损失的影响。以运营至今2 500 d、纵向预应力损失15%的原结构作为基础模型，对竖向预应力进行折减以考虑竖向预应力损失的情况，计算结果见表3所列、图4所示。

表3 竖向预应力损失的影响

图4 竖向预应力损失40%时箱梁抗裂验算结果(单位：MPa)

根据上述计算结果，当纵向预应力损失15%、竖向预应力损失40%时，主梁主拉应力和正应力超过规范限值的位置和范围与桥梁现状基本一致，主梁变形增大2.3 cm。

3.3 结构超重的影响

根据检测及现场勘查结果，由于施工控制不当，箱梁内部漏浆明显，漏浆主要集中在中支点附近，至今未清除，节段错台较为明显，根据该桥实际情况，假设结构尺寸错台5 cm，结构自重增加也不超过5%，考虑漏浆及建筑垃圾的影响，恒载超重偏安全采用5%计算，结果见表4所列、图5所示。

表4 结构超重的影响

图5 结构超重5%时箱梁抗裂验算结果(单位：MPa)

根据上述计算结果，在原结构理想状态下，结构超重5%使中跨3/8L附近箱梁主拉应力增大0.06 MPa，底板正应力降低0.23 MPa，变形增大0.8 cm。

3.4 桥面铺装超厚的影响

由于该桥施工控制措施不当且没有进行有效的施工监控，亦导致了主梁施工线型的较大偏差，可能导致桥面铺装超重，桥面铺装超厚的影响结果见表5所列、图6所示。

表5 桥面铺装超厚的影响

图6 桥面铺装超厚10 cm时箱梁抗裂验算结果(单位：MPa)

根据上述计算结果，在原结构理想状态下，桥面铺装超厚10 cm使中跨3/8L附近箱梁主拉应力增大0.19 MPa，底板正应力降低1.35 MPa，变形增大3.0 cm。

3.5 车辆超载的影响

车辆超载对结构的影响与恒载超载的影响是类似的，特别是交通流量较大时，活载的一部分就可能形成类似于恒载的作用，造成结构变形增大。由于该桥位于完全控制出入的高速公路上，超载车辆控制较为严格，即使超载一个车道(总重量增加267 t)，小于桥面铺装超厚5 cm增加的重量433 t，而且结构正截面及斜截面抗裂验算已考虑了部分活载的影响，因此，车辆超载对结构主拉应力和截面正应力的贡献率较低，全部转化为恒载对挠度的贡献值约为1 cm。

4 结束语

预应力损失、超重超载、收缩徐变等造成梁体开裂、变形，而开裂、变形又可能造成预应力损失、收缩徐变进一步增大，造成梁体病害进一步加剧。针对该桥主梁腹板出现竖向或斜向裂缝、底板出现横梁裂缝和中跨跨中变形等病害，根据前述计算结果、结合桥梁检测现状，该桥出现病害的主要原因为：混凝土收缩徐变，预应力损失；结构超重、桥面铺装超厚、车辆超载等因素对病害出现的贡献率较低，应是次要原因。

为保证结构安全和正常使用要求，根据现阶段桥梁病害情况并结合前述分析结果，该桥需进行维修加固，该桥维修加固的主要目标为：

(1) 确保结构满足极限承载能力的要求；

(2) 对已有病害进行处理，抑制已有病害继续发展；

(3) 降低箱梁法向拉应力，增强箱梁底板抗裂能力；

(4) 降低箱梁腹板主拉应力，增强箱梁腹板抗裂能力；

(5) 减缓或控制主梁继续变形，维持现有主梁线形。

[1] 马运朝.某连续梁大桥跨中裂缝分析和加固处理研究[J].交通科技,2013(6):34～36.[2] 宋宁,许宏元,慕玉坤.大跨径预应力混凝土梁桥病害分析与加固对策[J].公路交通科技(应用技术版),2012(4):10～16.

[3] 鲍卫刚.预应力混凝土连续梁桥维修与加固技术[J].公路,2013(1):13～18.

[4] 石雪飞,陈辉,沈炯伟.已下挠连续梁桥加固方案研究[J].石家庄铁道学院学报(自然科学版),2010,23(1):1～5.

[5] 杨晓燕.某预应力混凝土连续箱梁桥损伤评估与加固维修探讨[J].四川建筑,2010,30(3):132～133.

[6] 陈泽,周科文,廖勇刚.大跨径连续梁桥病害成因分析及加固设计[J].公路,2013(1):44～48.

[7] 周建庭,张劲泉,刘思孟.大中型桥梁加固新技术[M].北京:人民交通出版社,2007.