大跨度预应力混凝土连续刚构桥的病害成因分析及处理

王 磊

(湖南湘科建设工程检测有限责任公司，湖南 永州 425000)

0 引 言

随着预应力技术的推广和使用，桥梁的最大单跨跨径也在逐步增大。预应力混凝土连续刚构桥在城市立交桥、河流湖泊区域桥梁、峡谷地带桥梁等的施工建设中受到青睐[1，2]。然而，近些年来，服役的大跨度预应力混凝土连续刚构桥出现了上部箱梁的裂缝生成、竖向预应力失效及主梁挠度持续增大等病害，使得桥梁结构的使用性能受到了极大的挑战，影响了服役桥梁的使用寿命。对于预应力混凝土梁桥及连续梁桥的病害分析，已有不少学者展开了分析讨论[2，3],并得出了一些结论，但对于大跨度预应力混凝土连续刚构桥的病害讨论较少。因此，有必要讨论大跨度预应力混凝土连续刚构桥的病害成因及相应的加固处理措施。本文主要归纳一些正在服役的大跨度预应力混凝土连续刚构桥出现的常见病害，分析这些病害的成因，提出处理这些病害的具体控制措施及加固手段，并以某预应力混凝土连续刚构桥维修加固工程为例，采用粘贴钢板及体外预应力加固等方式进行处理,达到了预期的加固目的,为后续工程建设提供了一些帮助。

1 常见病害及成因分析

依据目前的工程特点，预应力混凝土连续刚构桥的常见病害可分为主梁下挠、箱梁裂缝等两类。

1.1 主梁下挠

在实际的桥梁施工过程中，为了满足控制施工进度的要求，悬臂浇筑箱梁节段时，过去更多地强调混凝土的强度等级而不太重视混凝土的加载龄期。因此，在进行预应力筋的张拉前，为了下一道工序的进展，混凝土的加载龄期被普遍偏短。由于加载龄期的缩短，混凝土自身的徐变增大，从而增大了主梁的下挠值。随着时间的推移，桥梁的长期变形会进一步加大。桥梁设计规范中有规定[1]，预拱度能抵消一部分预应力导致的长期变形，从而保证车辆能在桥面上安全平顺地行驶。大跨度桥梁体系跨中下挠超过限值会加速桥梁结构的变形，使得刚度降低，从而给行车带来麻烦，造成安全隐患。表1列举了服役桥梁在使用年限内的下挠值。

表1 服役桥梁在使用年限内的主梁跨中下挠值

从表1中可以看出，除三门峡黄河公路大桥，其余两座桥梁的主梁跨中下挠累计最大值都超过了限值，影响了结构的服役性能。

1.2 箱梁裂缝

预应力度不够会引起箱梁裂缝的生成，并进一步降低桥梁抗主拉应力的能力。常见的预应力度不够的原因主要包括孔道压浆不饱满、孔道自身存在着空隙、孔道预应力束锈蚀等三个方面。造成裂缝等病害的主要原因见表2[7]。

表2 裂缝生成的主因

此外，值得注意的是，采用悬臂施工的连续刚构桥，在施工与运营过程中易产生底板的裂缝延伸、混凝土破坏剥离、钢筋的锈蚀加快等病害,具体情况如下：

(1)横向裂缝与斜向裂缝。桥梁结构运营一段时间后，会出现底板横向裂缝，而后从底板与腹板交界处沿直角平分线向外延伸。产生此类病害的原因主要是齿板锚固集中力与桥梁结构的外荷载进行了叠加，超过了结构自身能承受的水平拉应力限制，从而导致了结构裂缝的产生。如图1所示的是底板锚固齿板的裂缝开展。

图1 底板的锚固齿板的裂缝开展

(2)合龙段的裂缝生成。对于节段施工，桥梁的上部结构是变截面形式，易造成合龙段在张拉过程中出现结构破坏现象。此类破坏最主要的是顺桥向的纵向裂缝。

2 病害的控制措施

2.1 结构加固

为了应对主梁下挠过大和箱梁裂缝等病害措施，进行结构的力学理论计算，通过计算得出更贴合实际的结构加固处理方式，从而节省经济成本。通过理论计算得出的处理控制措施主要有以下两类：

(1)在底板上下层钢筋网之间设置增强结构整体稳定性的钢筋，以此防止结构的开裂。单根钢筋的截面面积设为A0，用下式表示为[2]：

(1)

式中：q为等效径向力；nl为沿桥向在l长度内钢筋的排数之和；nb为考虑结构开裂及裂缝展开等因素的单排箍筋数；[σ]为破坏时的允许应力。为了进一步增强结构的整体稳定性，在节段的接缝处设置矮肋。

(2)增加腹板厚度，这需要综合考虑温度效应、结构的疲劳效应等不确定因素，并采用高性能的混凝土或加密腹板上的箍筋来增强腹板的抗裂性能。腹板主应力计算公式如下：

(2)

式中：σp为腹板主应力；σsx为腹板纵向应力；σsy为竖向应力。而该竖向应力受多因素的影响，具体包括恒活载、竖向预应力、温度、湿度、预应力张拉等。考虑上述参量后进行的配筋，效果优于传统加固设计。

2.2 体外预应力加固

除了上述控制措施手段外，实际的施工过程中常采用体外预应力加固技术手段，因其具有以下优点：

(1)简化预应力筋曲线，减少预应力损失，提高了体外预应力的使用效率。

(2)预应力可按桥梁的荷载布置形式进行布置，桥面上的布置灵活，根据桥梁病害可以进行桥面加固处理。

(3)锚固构件的占用率小，对恒载的增加较小，能大幅提高桥梁结构的整体承载能力。

(4)与桥梁原结构没有产生相互黏结，应力变化的范围小，且数值几乎无变化，对结构的受力性能有利。

(5)体外预应力索可调整也可以拆卸更换，便于在桥梁安全服役期间进行维护。体外预应力索布置在结构上的位置主要有顶板、腹板和底板等三类位置。

3 工程案例分析

以贵州省乌江上某预应力混凝土连续刚构桥维修加固工程为背景进行分析。首先进行腹板加固处理，对腹板薄弱段进行补强处理，钢板与腹板的混凝土之间进行压力注浆，以提高腹板的整体稳定性。所采用的钢板尺寸如图2所示。

图2 所粘贴的钢板示意图

图2中，x为钢板长度，具体以实际工程加固处理需要为主，本文取2 000 mm。且钢板条之间要保持一定的距离，一般取250 mm较为合适。钢板顺桥向粘贴。还需对箱梁底板进行修复，由于箱梁底板抗裂性能较为薄弱，要采用高强抗裂性能材料能抵抗底板的剪应力的具有高强抗裂性能的材料。张拉碳纤维板因其优异的性能常被用于箱梁底板加固中[89,910]。具体加固方案是底板外侧粘贴张拉碳纤维板，并对其施加一定数值大小的应力检测其张拉性能，从而加大预应力混凝土箱梁底板的抗裂性能。高强度碳纤维板的尺寸为宽50 mm，厚度为2 mm，弹性模量及张拉力的数值满足规范要求。布置碳纤维板时注意间距大小，近跨中段的距离保持在1 m左右，而近桥墩镦段为1.2 m的距离左右。粘贴钢板的区域要留打孔区域，作为通气孔疏通。

还有悬臂梁牛腿下挠过大，需采用在铺装层中布置通长无黏结预应力索，并且无黏结预应力索要保证不被锈蚀，要做好防腐措施，以保证不被锈蚀。通常用的是用化学稳定性好、对周围外包层及混凝土无腐蚀作用、防水性能优良、润滑性能很好的专用油脂来处理无黏结预应力索。在实际施工过程中，涂刷的防腐层也应当采取保护措施，包括外加塑料套袋或缠绕防水塑料纸等方式。为使无黏结预应力钢索能相对滑动，要保证成型的混凝土保护层与预应力钢筋间有一定空隙,如下图3所示。

图3 悬臂梁布置预应力索

针对连续梁跨中下挠值过大，还可采用体外预应力加固。可以依据活荷载在桥面上的布载形式及结构变截面高度等特点，在箱梁内腹板两侧采用不同线性的方式进行加固处理。

采用以上加固手段使得桥梁跨中区段梁端的主拉应力的数值下降至1.8 MPa，且未见明显开裂。边跨和中跨的位置分别平均抬升了3 mm和6 mm，桥梁结构的开裂现象明显减少。说明，跨中下挠和裂缝开展得到了控制，达到预期加固目的。对于加固处理部位，应安装相应的力学监测设备对结构的受力、变形等进行实时监测，以验证加固处理的长期使用性能。后经长时间的数据监测，本次加固后的变形和体外预应力索力变化较小，能够满足相关公路桥梁设计规范的要求，达到了设计的预期。

4 结 论

大跨度预应力混凝土连续刚构桥目前存在着跨中下挠过大、腹板斜向开裂、底板横向裂缝、底板纵向裂缝以及底板上下分层等多种典型病害形式，学者们采用了多种形式的科学研究进行加固处理。本文以某预应力混凝土连续刚构桥为例，对于底板及腹板的斜向裂缝，采用加固箍筋及粘贴钢板等手段,对于跨中下挠过大，采用在铺装层中布置无黏结预应力索或体外预应力加固的方式去处理。得出如下结论：

(1)粘贴钢板及体外预应力加固等方式处理这些病害，达到了预期的加固目的;

(2)加固成果的监测可以进一步分析结构的受力变化情况，对后期此类桥梁的设计和施工有一定参考价值。