某连续箱梁桥裂缝病害成因分析及加固计算

刘昌生

(福建陆海工程勘察设计有限公司，福州 350000)

1 工程背景

某高速上一等截面预应力混凝土连续箱梁桥，左右幅错孔对称布置， 左幅为45.8 m+3×50 m+31.6 m， 右幅为31.6 m+3×50 m+45.8 m，单幅横向布置为0.5 m(护栏)+11.5 m(行车道)+0.5 m(护栏)，桥梁全长235.42 m。 设计荷载：汽车-超20 级、挂-120；1997 年底建成。 总体布置图见图1。

（1）挖矿耗能问题。在PoW共识机制中，挖矿仅为简单的遍历，浪费了大量的算力。根据加密货币信息网站Digiconomist的数据称：目前投入到比特币和以太坊挖矿当中的电力可以在所有国家和地区消耗电力中排名第71位，其中比特币矿机消耗功率为14.54万兆瓦[14]。这些耗能仅用于交易的确认，造成了巨大的浪费。同时，挖矿造成了显卡等产品的大量损耗，造成产品单价激增。

作者简介：林斌，男，福建省南靖县山城镇文化技术学校，一级教师，南靖县山城镇优秀教师，本科学历，研究方向：小学数学教育。

上部结构采用等截面预应力混凝土连续箱梁，为单箱单室斜腹板箱型截面，箱梁梁高2.8 m，顶宽12.5 m，底宽4.2 m，斜腹板，翼缘板悬臂长度为3.55 m。中支点往跨中10 m 为厚度渐变段， 其中底板厚度从支点往跨中由48～15 cm 渐变， 腹板厚度从支点往跨中由45～32 cm 渐变，顶板厚度为20 cm。

图2 箱梁截面(单位：cm)

2 桥梁技术状况

该桥主要病害为箱外横向裂缝、 箱内纵向裂缝及箱内斜向裂缝，箱外横向裂缝分布于梁底1/4 到跨中位置；斜向裂缝分布在梁端两侧腹板位置，其中超限宽裂缝(大于0.15 mm)有87 条，裂缝缝深普遍大于25 mm，最大缝深134 mm；纵向裂缝434 条，分布在两侧腹板位置，其中超限宽裂缝(大于0.15 mm)306 条；两侧腹板顶端存在纵向施工缝，缝宽较大，裂缝顺桥向在箱内外对称分布，箱内缝宽大于箱外缝宽。

(2)JTJ023-85 规范中仅规定了T 形截面连续梁由于日照温差引起的内力计算，在缺乏实测资料时，可假定温度差+5℃(桥面板上升5℃)，并在桥面板内均匀分布。对于该条规定，并没有相应的说明，缺乏对梯度温度的系统研究，相比JTG D60-2004 规范，明显考虑不足。 对于连续梁，截面温差对结构产生此内力，该作用有时甚至超过自重和活载对梁单元的影响。

冲击系数、梯度温度导致外部作用增加，预应力损失导致主拉应力安全储备不足， 是导致斜向裂缝产生主要原因。

3 裂缝病害产生的原因分析

3.1 梁底横向裂缝

(3)由于本桥施工质量较差，永存预应力可能存在部分损失，预应力损失将导致截面压应力储备不足。

针对同步交流发电机旋转整流器故障[11-12]，拟考虑开路故障模式，即分为3大类：正常工作模式、单管开路故障模式和双管开路故障模式，具体见表1。

(1)实际冲击系数较大。 《公路桥涵设计通用规范》JTJ021-89 中，当跨径≥45 m 的预应力混凝土梁桥时，冲击系数为0，但依据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004 结构基频计算方法计算得到冲击系数为0.14，可见无论是旧规范还是新规范，实测冲击系数(0.28)均大于规范计算值。

计算结果如表1 所示，可以看出，在考虑温度计算模式及汽车荷载作用修正之后， 箱梁跨中下缘最小正应力及主拉应力均小于规范限值，结构抗弯、抗剪承载能力不满足要求，该计算结果与本桥梁底横向裂缝、斜向裂缝大致吻合。

3.2 腹板斜向裂缝及纵向裂缝

荷载试验结果挠度、应力校验系数均大于1；结构实测频率小于理论频率； 左、 右幅最大冲击系数分别为0.2817 和0.269，均大于《公路桥涵设计通用规范》的规定值0；因此，左、右幅均不满足设计活载标准的正常使用要求。

本桥箱梁截面翼缘板悬臂较长， 在汽车偏载的情况下，在腹板上产生较大的弯矩，由于腹板较薄，抗弯刚度较弱，腹板内侧产生较大竖向拉应力。腹板内侧竖向拉应力、原结构布置的箍筋配筋率较低、箍筋的纵向分布、保护层厚度较厚等因素综合影响， 导致腹板内侧出现纵向裂缝；当靠近支点时，由于该范围腹板主拉应力较大，腹板内侧竖向拉应力与主拉应力耦合作用， 导致斜向裂缝呈小于45°角分布。 对于腹板斜向裂缝及纵向裂缝的原因分析，参考文献[1]通过建立有限元实体模型进行了详细阐述。

⑥郑石桥、刘庆尧:《〈审计法〉涉及的若干基础性问题的再思考——基于十九大报告的视角》，《南京审计大学学报》2018年第1期。

3.3 结构检算

本文采用桥梁博士V3.5 程序，按平面杆系进行结构分析。结合以上结构病害及活载冲击系数、活载影响修正系数、 非线性温度的同时考虑原桥结构预应力钢束永久预应力损失。 经试算分析， 当腹板钢束永久应力损失10%、顶底钢束永久应力损失5%时，50 m、45.8 m 跨径跨中截面下缘正应力超出规范上限的范围与外观检测所得的梁底横向开裂范围基本一致。

在更新Pareto最优解时，将第g代所得Pareto最优解与第g+1代个体合并，然后通过支配关系筛选出非劣解集X*。若X*集合中个体数少于Np，则将X*作为第g+1代的Pareto最优解集；若X*集合中个体数大于Np，则采用拥挤度距离排序方法筛选出距离排在前Np的个体作为第g+1代的Pareto最优解集。

(4)结构实际刚度较低。根据静动载试验可知，无论是挠度校验系数，还是结构基频测量，均反应结构的实际刚度小于理论刚度。之所以会出现这种情况，最主要的原因是在箱梁腹板与顶板连接处(梗掖处)存在通长的施工冷缝， 由于腹板与顶板是分阶段浇筑砼， 在腹板浇筑完成后，如果时间间隔过久，且交界面未进行凿毛处理，该位置是很容易产生施工冷缝。根据现场实测，该施工冷缝缝宽最大达4 mm，缝深超过10 cm，有的甚至贯穿腹板厚度。施工冷缝严重削弱了顶板与腹板之间力的传递，使箱梁介于组合梁与叠合梁之间，结构整体刚度明显减小。

4 加固方案

图4 组合Ⅱ截面下缘正应力(单位：MPa)

表1 检算结果表

该桥病害较为严重， 承载能力极限状态及正常使用状态均不满足规范要求，导致纵向裂缝、横向裂缝、斜向裂缝病害产生，又由于施工冷缝的存在，削弱了桥梁的整体刚度，使桥梁在运营期间存在较大的安全隐患。因此急需采取综合处治的加固方案。针对本桥存在的问题，本文采用腹板加厚+体内预应力钢束的组合加固方法进行加固，加固方法详见参考文献[1]，该方法是被动加固与主动加固结合，既提高箱梁的抗弯、抗扭刚度，加强箱梁断面横向整体性，也能改善结构的应力状态，提高桥梁抗弯、抗剪承载力， 同时也要保证加固完之后桥梁整体结构均能满足承载力要求。

5 加固计算

限于篇幅，本文主要介绍纵向计算，横向计算详见文献[1]。 腹板加厚+体内预应力钢束组合加固是在既有结构的基础上增大截面，再施加体内预应力，由于本桥病害较严重，承载能力较低，加固过程采用在封闭交通的环境下进行，因此，加固计算可以按在完成运营时间内收缩续变阶段的基础上增加腹板加厚及施加体内预应力阶段。本文采用桥博软件进行计算， 腹板加厚部分采用桥博附加截面的方法添加， 腹板加厚部分在形成强度之前其自重有原结构承受，待混凝土强度达到设计要求时，施加体内预应力，腹板加厚部分参与原结构一起受力。

桥梁加固是在既有桥梁的基础上通过各种方式改变结构的受力状态，因此，加固设计首先得对既有结构的现状进行分析判断，分析判断的依据主要是原设计资料、竣工资料及历史检测维修资料， 但往往由于早期资料管理不善，部分资料缺失，加上现实环境因素复杂，很难对桥梁实际状态做出准确的判断， 此时只能根据工程师的经验及有限的资料进行推测假定。 本文在对既有结构进行检算时， 部分计算参数根据现场试验或新规范进行了调整，这些参数的调整是相对有依据的，但是对于预应力的损失，由于依据既有的技术是没办法进行检测，实际永存预应力损失了多少是未知的， 采用假定的方法存在一定的不确定性，有可能由于预应力损失估多了，导致新增预应力过强而出现不利情况，甚至新的病害，因此，在加固计算时应采用包络法进行计算，即计算上限和下限。

根据上述的计算方法及原则，得到计算结果如表2 所示，根据计算结果可知，采用腹板加厚+体内预应力钢束的组合加固后，箱梁结构的各项计算指标均满足规范要求。

表2 加固计算结果表

6 结语

在进行旧桥加固计算时， 一方面要对桥梁的历史充分调查，了解其设计、施工背景，为分析桥梁病害产生原因提供线索，本桥设计时处于结构优化风盛行时期，桥梁结构的安全储备几乎没有，规范对汽车冲击、温度荷载明显考虑不足，施工不规范、施工质量差也是加剧裂缝产生的主要原因； 另一方面要将病害分布特征与桥梁结构受力形式结合分析， 比如箱梁腹板横向裂缝与箱梁的横向受力有关；最后，对于采用预应力法加固时，应采用包络法计算， 避免因为过度假设， 导致加固造成新的病害产生，如预应力过大，梁体上拱开裂，或者混凝土最大压应力超限。

该桥加固工程于2018 年9 月底完工通车，通车前荷载试验结果显示该桥承载能力满足要求， 挠度校验系数均小于1，加固效果达到预期。 根据该桥一年多的监测情况来看， 目前运行良好， 未发现新的病害及异常情况发生，表明本文采用的加固方法及计算方式是基本可行的。