预应力连续箱梁桥病害分析与加固研究

杨 辉

(重庆交通大学土木工程学院,重庆 400070)



预应力连续箱梁桥病害分析与加固研究

杨 辉

(重庆交通大学土木工程学院,重庆 400070)

变截面预应力混凝土连续箱梁桥是近些年来发展较快、技术成熟的一种桥型，在我国各大山川平原均有广泛应用。作为其主要承重的预应力混凝土连续箱梁结构，其病害问题影响桥梁的正常使用，威胁车辆的正常通行。随着我国大量桥梁的建设，对桥梁检测方面技术的投入更加深入的研究有重要意义。更好的桥梁检测与加固技术，才能保证桥梁的安全性、可靠性，并减少工程造价和资源浪费。文章根据某桥历年的质量检测报告，对其病害成因进行了力学分析，提出了多种加固方法，验算结果表明加固后桥梁结构各截面拉应力和主拉应力都不同程度地减小，结构承载力和刚度都得到较大提高。其成果将为此类桥梁的检测和加固维修提供理论依据及更好地指导施工。

变截面； 预应力； 连续箱梁桥； 病害分析； 维修加固

桥梁是连接山南海北的核心，是各种交通要道的咽喉，桥梁的修建对保证交通顺畅起关键作用。近年来，预应力连续箱梁桥由于具有行车平稳舒适、跨越能力大的特点以及简洁明快的造型，在国内外一直被广泛采用。然而，在使用过程中，由于外荷载、交通量的大增及不确定环境因素等的影响，结构承载力和耐久性逐渐衰退，严重影响道路的正常通行。据统计，中国正在服役的众多桥梁中，许多出现了不同程度的病害，满足不了现在猛增的交通需要。实践证明，拆除不满足要求的桥梁重新修建是不必要的，而在原有桥梁基础上直接加固的造价比新建减少10 %～30 %，工期缩短将近50 %，而且投资回收速度加快。如何对现有桥梁进行及时的检测和有效、快捷的加固，是桥梁设计和建设面临的一个重要课题。本文以深圳市机荷高速平湖编组站大桥为工程背景，阐述预应力连续箱梁桥的病害及其分析，研究该类桥型的加固方案，为同类型桥梁加固提供借鉴。

1 工程概况

机荷高速公路平湖编组站大桥位于深圳市西北平湖镇，跨越平南铁路平湖编组站。大桥轴线与铁路交角90°，分为前引桥、主桥、后引桥三部分，为分离式双幅桥(图1～图3)。其中，左幅桥上部结构桥跨组合为6×30m+(42.5+2×65+42.5)m+3×30m+20m+20.32m，右幅桥上部结构桥跨组合为6×30m+(42.5+2×65+42.5)m+2×30m+2×20m+20.46m。

主桥上部结构为四跨三向预应力混凝土单箱单室变截面连续箱梁。主墩处梁高2.6m，为主跨长的1/25，跨中及过渡墩处梁高1.5m，为主跨长的1/43.3。箱梁底板宽8.55m，顶板宽15.75m，顶板厚0.28m，腹板厚度为0.4m的等厚板，底板厚度由跨中的0.3m变化至墩底的0.45m。箱梁翼缘板悬臂3.6m。

图1 桥梁整体布置(单位：cm)

图2 主桥桥梁平面布置(单位：cm)

(a)跨中截面 (b)支点截面图3 桥梁横断面布置(单位：cm)

2 病害桥梁现状

2.1 主要病害

(1)主跨跨中下挠。通过对左右幅桥面线形测量以及主桥箱梁梁底标高测量数据整理分析可知，梁底实测相对标高与竣工图最大下挠最大为112.5 mm。预应力混凝土梁桥跨中下挠是该种桥型的通病，该挠度值则说明结构已经存在安全隐患。

(2)箱梁内外出现较多裂缝。箱外底板横向裂缝主要分布在箱梁中跨L/4～3L/4桥跨范围内；底板、顶板纵向裂缝，多与预应力管道分布位置重合；横向裂缝主要出现在跨中处，大部分延伸至腹板。

(3)防撞护栏保护层略薄，部分有锈蚀现象。

(4)体外预应力钢束松弛。

(5)箱梁内部横隔板处积水严重。

2.2 典型病害成因分析

2.2.1 主跨跨中下挠

通过调查以及“2012年～2015年线形及裂缝宽度监测结果”表明，跨中下挠应该是在桥梁建成的早期几年内出现的，近4年桥面线形比较稳定，变化不大，未出现明显继续下挠现象。

(1)由于该桥常用满堂式支架施工，在拆除支架后由于箱梁整体脱架，在预拱度设置以及拆除支架控制等因素综合作用下导致跨中出现下挠，这是下挠过大发生在桥梁建成早期的主要原因。

(2)混凝土收缩徐变系数与混凝土的配合比、施工环境及各种添加剂等因素均紧密相关，通常主梁混凝土在多重因素影响下的实际徐变量要高于理论徐变量；此外，由于桥梁长期处于车辆荷载作用下，长期持续作用的活载具有很大的“恒载”特性，对主梁的徐变变形有较大影响，各因素综合作用下导致跨中出现下挠。

(3)该桥已投入使用近20a，主梁体内预应力产生了一定程度的损失。后期通过体外预应力加固的方式对原桥预应力予以一定的补偿，但由于中跨体外预应力完全失效，体外预应力加固的效力也未达到预期的效果。

(4)随着交通量的增大，重型、超重型车辆的增多，造成活载过大，也会引起本桥下挠。

2.2.2 箱梁裂缝

开裂成因很难归结为单一的开裂机理，通常开裂是在几个因素叠加的情况下发生。预应力混凝土箱梁很难避免开裂，因为不但存在混凝土局部收缩的不可控因素，而且箱梁也不是每个部位都是三向受压的。根据现场检测结果，结合Midas/Civil有限元计算分析，按裂缝特征的不同对裂缝产生原因分别进行分析如下：

(1)箱外底板横向裂缝。原结构复算表明，基于检测结果的当前状态主梁抗弯极限承载能力满足要求，但中跨跨中附近梁体下缘正截面法向拉应力超限，进而导致相关腹板产生竖向裂缝和底板产生横向裂缝。

(2)箱外腹板共发现46条裂缝，最大缝宽为0.26 mm，部分裂缝为修补后重新开裂，并有延伸开裂现象，其中20条斜向裂缝，主要位于每跨的L/4和3L/4位置。原结构计算结果表明，由于主桥腹板尺寸偏小、箱梁高度不足导致箱梁在墩顶附近抗剪能力不足或安全储备较低，加上桥上重车较多、交通量大，在偏载作用下，容易引起腹板开裂，在各因素作用下出现裂缝是不可避免的。

(3)加厚截面腹板共发现26条竖向裂缝，根据加厚截面取芯样以及荷载试验结果，可知加厚截面上部协同受力较差，新旧混凝土收缩不同步等因素是引起加厚截面产生裂缝的主要原因。

(4)底板、顶板纵向裂缝，多与预应力管道分布位置重合。顶板纵向裂缝一般由于箱梁顶板宽度较大，横向配筋不足引起，在日照作用下，即温度梯度作用下易产生顶板纵向裂缝。对于短小的纵向裂缝是由于钢筋混凝土保护层偏薄，及在纵向预应力作用下产生的横向张力作用引起的。

(5)施工时箱梁内部温度难以控制，混凝土产生的温度效应也是产生横向裂缝的重要原因。

2.2.3 体外预应力钢束松弛

由于体外束未设置转向块和减振装置，自由长度过长，在主桥运营期间高幅度震荡下，钢绞线容易产生疲劳、松弛，这是造成钢绞线疲劳、松弛的主要原因。

3 旧桥的维修加固

3.1 压力注胶外粘钢板加固法

粘贴钢板加固法，一般在桥梁结构的下部施工加固，几乎不会改变原来结构的尺寸，并且能在短时间内完成对旧桥的加固工作。当箱梁受剪切、扭矩变形过大，在箱梁顶板底部、腹板处出现严重横向裂缝时，采用环氧树脂或建筑结构胶将钢板这一抗拉强度高的材料粘贴在混凝土结构的受拉缘或者薄弱部位，使之与原结构物形成整体共同受力，从而改善原结构钢筋及混凝土的应力状态，达到提高构件的抗弯、抗剪能力，减少裂缝继续发展的效果。

根据GB 50550《建筑结构加固工程施工质量验收规范》，当采用压力注胶法粘贴钢板时，应采用锚栓固定钢板，固定时，应加设钢垫片，使钢板与原构件表面之间留有2 mm的畅通缝隙，以方便压注胶液。固定钢板的锚栓，应采用化学锚栓，不得采用膨胀锚栓。锚栓仅用于施工过程中固定钢板。在任何情况下，均不得考虑锚栓参与胶层的受力。当采用直接涂胶粘贴的钢板厚度不应大于5 mm；当厚度超过5 mm时，应采用压浆机注胶粘结，且钢板的宽厚比不应小于30。外贴钢板的作业场地应该无粉尘，且不受日晒、雨淋和化学介质污染，其施工过程控制和施工质量检验，应符合现行国家标准GB 50205《钢结构工程施工质量验收规范》的规定。该工程顶板内箱室顶面粘贴钢板，横桥向规格为200 mm×6000 mm，间距200 mm。

3.2 体外预应力加固法

体外预应力加固法是以粗钢筋、钢绞线或高强度钢丝等钢材作为施力工具，运用预应力原理，通过张拉体外钢筋，在梁体的受拉区施加压力，以此来抵消或者减少由自重或者外荷载产生的拉应力，从而改善旧桥使用性能并提高其承载能力。大量工程实践表明，体外预应力加固法加固所能达到的荷载等级与原桥设计标准有关，一般能将原桥承载能力提高30 %～40 %，并且人力投入少，施工工期短，经济效益明显。

图4 预应力钢束布置

4 加固后结构验算与效果

4.1 空间梁单元模型

采用大型有限元计算分析软件Midas/Civil。上部结构为42.5 m+2×65 m+42.5 m变截面预应力混凝土连续箱梁，中支点处梁高2.6 m，跨中及边支点处梁高1.5 m，桥梁宽度15.75 m，主梁共72个单元(图5)。

图5 主桥连续箱梁模型

4.2 主要规范标准

(1)JTJ 021-89《公路桥涵设计通用规范》；

(2)JTJ 023-85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》；

(3)JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》。

4.3 计算荷载取值

第一至第三状态均按原设计规范进行验算，即主要依据JTJ 021-89《公路桥涵设计通用规范》和JTJ 023-85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》。

4.3.1 永久荷载

(1)结构重力：钢筋混凝土26 kN/m3，钢材78.5 kN/m3。

(2)一期重力：实际结构建立计算模型，由程序自动计算。

(3)二期重力：桥面铺装层+防撞护栏共计43.1 kN/m计入。

(4)混凝土收缩及徐变：按照JTJ 023-85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》取值。

4.3.2 可变荷载

(1)汽车荷载：汽车—超20级，挂车—120，横向按三列车队布置，横向折减系数取值0.8，偏载系数取1.15。

(2)冲击系数：根据JTJ 021-89《公路桥涵设计通用规范》第2.3.2条规定计算冲击系数：L≤5 m时冲击系数取0.30；L≥45 m时冲击系数取0；5 m

4.4 主梁挠度验算

图6为活载(不计冲击力)作用下主桥上部结构产生的下挠包络线。

图6 下挠包络线

图7为活载(不计冲击力)作用下主桥上部结构产生的上挠包络线。

图7 上挠包络线

5 结束语

本工程采用压力注胶外粘钢板加固法、体外预应力加固法对机荷高速平湖编组站预应力连续箱梁桥箱梁进行加固。箱内顶板采用采用环氧树脂粘结剂粘接钢板，使之与结构主体形成整体，并共同作用。该方法提高了箱梁横向刚度，限制了裂缝的发展，改善了顶板混凝土的受力状态，较大幅度的提高了桥梁的承载能力。由于机荷高速平湖编组站大桥下布满铁路，桥梁加固施工不能影响下部交通，故该桥还采用了体外预应力加固法加固，极大的减少了施工难度，节约了维修成本，压缩了工期，使得广深高速能够快速恢复运营，经济效果相当可观。经计算分析，加固增加的荷载对结构受力影响较小，加固后主梁下缘混凝土拉应力不同程度减小，截面主拉应力也明显减小，抗剪能力大幅度提高，粘贴的钢板使结构刚度得到提高。该桥整体刚度提升，加固的效果明显，对类似工程具有借鉴和指导作用。

[1] JTJ 021-89 公路桥涵设计通用规范[S].

[2] JTJ 023-85 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3] 张安喜.钢筋混凝土梁桥的加固方法与承载力分析[D].贵州大学,2015.

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[5] 潘浩君.预应力连续箱梁桥加固设计方案及验算分析[J].湖南城市学院学报：自然科学版,2015(3):16-19.

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[9] 陈兆毅.某预制小箱梁桥的病害分析与加固研究[D].大连理工大学,2008.

杨辉(1993～)，男，硕究生，研究方向为桥梁工程。

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[定稿日期]2016-10-19