连续刚构桥病害成因分析与体外预应力加固技术研究

杨益态++谢茂宇

摘 要：大跨径预应力混凝土连续刚构桥运营阶段常见病害包括跨中长期下挠和梁体开裂，严重影响结构安全和耐久性。本文采用有限元方法对某四跨连续刚构桥体外预应力加固方法进行计算分析，提出体外预应力加固技术应用建议，为类似工程提供参考。

关键词：连续刚构桥；跨中长期下挠；梁体开裂；体外预应力技术加固

中图分类号：TU393 文献标识码：A

随着我国公路建设事业的快速发展，公路桥梁建设规模不断向长、大方向发展。截止2015年年底，全国公路桥梁达77.92万座，共计4592.77万m，桥梁数量居世界第一。预应力混凝土连续刚构桥，受力合理、跨越性能好、行车平顺、施工工艺成熟，运营期养护维修费用低，已成为我国大跨径桥梁建设的首选桥型。但大跨径预应力混凝土连续刚构桥常见病害为跨中长期下挠和梁体开裂，严重影响结构安全和耐久性。本文通过对多跨连续刚构桥跨中长期下挠和梁体开裂等病害成因进行分析，并采取针对性较强的加固措施——体外预应力加固技术，应用于存在跨中长期下挠和梁体开裂等病害的在役连续刚构桥加固维修中。

1.工程概况

某大桥桥梁全长428.6m，桥梁于1996年12月建成通车。桥面总宽12m，宽度组成为1.5m（人行道）+9m（行车道）+1.5m（人行道）。桥梁跨径组合为（2×25）+（60+2×100+60）+（2×25）m。主桥为预应力混凝土连续刚构，引桥为25m装配式预应力混凝土简支箱梁。设计荷载：汽车-20级，挂车-100，人群3.5kN/m2。

主桥上部结构箱梁采用单箱单室截面，设纵向预应力和竖向预应力（顶板设纵向钢绞线，且纵向钢束在顶板内设平弯，在腹板处未设置下弯；腹板设竖向粗钢筋，底板只设纵向钢绞线），顶板宽11m，底板宽6m，翼缘板悬臂长2.5m，支点截面梁高5m，跨中截面梁高2.2m，梁高及底板厚度按两次抛物线变化；顶板厚20cm，底板厚由跨中22cm增至根部50cm，腹板厚30cm，在根部梁段由30cm增至50cm。仅在支点设横隔板。箱梁底板横向保持水平，采用挂篮悬臂施工。下部结构为双薄壁空心墩，中墩为明挖扩大基础，两边墩为嵌岩桩基础。

2.主要病害

（1）两侧边跨L/4～L/2处箱梁腹板内侧存在斜向裂缝；边跨合拢段附近箱梁腹板内侧存在纵向裂缝，箱梁顶板内侧存在纵向裂缝；第3跨（边跨）L/4～3L/4处箱梁底板外侧存在纵向裂缝。

（2）两个中跨L/4～3L/4处箱梁腹板内侧存在斜向裂缝，其中第4跨（中跨）L/2～3L/4处箱梁腹板内侧斜向裂缝较为密集，裂缝间距30cm；两个中跨跨中合拢段附近箱梁底板外侧存在纵向裂缝，顶板内侧较多纵向裂缝。

（3）跨中下挠：对连续刚构桥桥面线形进行测量，根据测量结果分析可知，箱梁中跨跨中出现较大下挠变形，下挠最大值位于中跨跨中，弦弧差为11.7cm（未计入成桥预拱度），跨中最大挠度>计算跨径的1/1000。

3.加固设计思路及目标

（1）本桥主桥中跨存在较大程度的下挠，且箱梁腹板存在大量斜向裂缝，裂缝宽度较宽，一定程度上削弱了主梁刚度，恶化桥梁运营状况，影响桥梁结构安全，本次加固设计采用在主桥张拉纵向体外预应力钢束，并在箱室内部分梁段腹板增设钢筋混凝土加厚层、腹板斜向粘贴钢板，以期达到如下设计目标：

①通过增设纵向体外预应力钢束，使主跨跨中有一定的向上位移，抑制主梁下挠，同时抵消加固带来的自重增加不利影响，并适当改善主梁应力状态，提高承载能力。

②通过增大桥墩附近节段腹板截面，改善主梁腹板受力状态，提高该段抗剪承载力及主桥刚度。

③通过腹板粘贴钢板，提高其抗剪承载力，抑制裂缝开展。

（2）为了提高引桥箱梁承载力安全储备，拟在梁底张拉碳纤维板处理。

（3）处治其他病害，提高结构耐久性，改善或恢复部分受损构件使用功能。

4.加固内容及要点

本桥主跨分两个边跨及两个中跨。因主桥中跨出现较大程度的下挠，且箱梁腹板出现大量斜向裂缝，裂缝宽度较宽，一定程度上削弱了主梁刚度。故针对主桥新增12束15Φs15.2mm的纵向体外预应力钢束，预留6束15-15的预应力孔道，视后期运营过程中桥梁结构状况可再行增补纵向预应力体外钢束。

5.加固后计算分析

通过建立主桥模型进行有限元分析，加固前后主要控制截面正常使用极限状态应力、挠度计算分析结果见表1。

加固前后主要控制截面承载能力极限状态应力计算分析结果表2。

结语

由于设计方法不完善、施工质量缺陷、运营期间超载、缺乏日常养护维修等可能造成的大跨径连续刚构桥跨中长期下挠和梁体开裂现象。针对病害成因，明确加固目标，采用体外预应力加固技术，对抑制跨中下挠，改善受力状况，控制裂缝开展作用十分明显。同时，为了确保采用体外预应力加固技术的大桥运营安全，实现大桥处于实时监控状态，考虑桥梁结构形式的特点，建议建立在线健康与安全监控系统。为养护管理系统提供详细、必要的数据，为养护需求、措施提供科学依据，确保结构安全运营的目的，起到预防性养护的作用。

参考文献

[1]范立础.预应力混凝土桥梁[M].北京：人民交通出版社，1988.

[2]徐岳，等.预应力混凝土连续桥梁设计[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]伍波，杨家玉，石永燕，等.大跨径连续刚构桥的常见病害与设计对策[J].公路交通技術，2005（B07）：109-111.