鋼筋混凝土連續箱梁病害分析及加固措施

楊 斌，尹 恒，崔振山

(1.深圳高速公路股份有限公司，廣東深圳 518026;2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710075)

0 引言

普通鋼筋混凝土連續箱梁允許帶裂縫工作，但在橋梁養護工作中，常常發現普通鋼筋混凝土連續箱梁的裂縫超過限值，并有發展趨勢，極大地影響了橋梁結構的安全性和耐久性。分析裂縫成因，制定相應的維修加固方案，成為橋梁養護或擴建工程的工作重點。

本文以深圳梅觀高速公路擴建工程中一座普通鋼筋混凝土箱梁的加固為依托工程，依據檢測結論和結構計算，對橋梁裂縫成因進行分析，提出相應的維修措施。

1 橋梁結構現狀

橋梁建成于1997年，上部結構為17 m+2×21 m+17 m現澆普通鋼筋混凝土連續箱梁，箱梁梁高1.2 m，單箱單室斷面，頂板寬度為9.5 m，底板寬度為5.0 m，懸臂長度為2.05 m，箱梁腹板厚度為30～50 cm，跨中截面頂板厚度20 cm、底板厚度20 cm;下部結構采用柱式橋墩、肋式橋臺和樁基礎;水泥混凝土橋面鋪裝，仿毛勒式伸縮縫，TPZ-1型盆式橡膠支座。上部結構箱梁存在主要病害如下。

1.1 底板橫向裂縫及腹板豎向裂縫

各跨箱梁底板在1/4～3/4橋跨范圍內有多條橫向裂縫產生，縫寬基本介于0.05～0.15 mm之間，最大裂縫寬度為0.25 mm，縫長介于底板寬度的1/4～1/2之間，縫間距介于 0.15 ～0.35 m 之間，部分裂縫延伸到腹板;另外，腹板除與底板連通的裂縫外，還有大量豎向裂縫，縫寬基本介于0.05～0.15 mm之間，最大縫寬達0.25 mm，裂縫多呈中間寬、兩端窄的“棗核形”，長度在1/2～2/3腹板高度之間，少量裂縫貫通腹板高度。

1.2 底板及腹板斜向裂縫

部分橋跨底板、腹板在1/4及3/4橋跨附近有少量斜向裂縫產生，縫寬基本介于0.05～0.12 mm之間，最大縫寬為0.22 mm，縫長介于0.5 ～1.00 m之間。

1.3 翼緣板橫向裂縫

部分橋跨翼板有少量橫向裂縫產生，縫寬介于0.10 ～0.15 mm 之間，最大縫寬為 0.28 mm，縫長介于翼板寬度的1/3～2/3之間，少量裂縫貫通翼板寬度。

1.4 混凝土表觀缺陷

箱梁梁體存在大量鋼筋銹脹、混凝土剝落。腹板及底板有多處裂縫修補痕跡，未見重新開裂現象，但修補材料表層風化剝落。

2 有限元計算及病害成因分析

采用通用有限元分析程序，按照實際受力情況簡化結構受力模式，建立梁格單元結構分析模型。縱梁根據腹板位置采用“工”字形截面模擬，橫梁根據箱梁頂底板厚度采用等剛度“二”型截面模擬，有限元分析模型參見圖1。計算活載為汽車超—20掛—120，分別考慮左側偏載、中載、右側偏載三種活載工況。溫度梯度豎向日照正溫度梯度溫度基數T1=25℃、T2=6.7℃;豎向日照負溫度梯度溫度基數T1=-12.5℃、T2=-3.35℃。最不利荷載組合作用下承載能力極限狀態彎矩包絡結果見圖2。

表1、表2為原結構箱梁驗算表。計算結論:在承載能力極限狀態下，箱梁跨中及支點截面抗彎承載能力不足，安全系數在0.57～0.96之間。

圖1 有限元分析模型

圖2 承載能力極限狀態彎矩包絡圖

表1 原結構箱梁驗算表(承載能力極限狀態)

表2 原結構箱梁驗算表(正常使用極限狀態)

病害成因分析:承載力計算結果表明，箱梁各跨跨中抗彎極限承載力不足，因而底板產生橫向裂縫，并延伸至腹板。梁靠近支點位置的兩側翼緣板板底有橫向裂縫，兩側翼緣板底的橫向裂縫有對稱性，因此判斷支點處頂板已橫向貫通開裂。翼緣板裂縫，為施工時腹板先期澆筑固結早，對翼板有約束作用，澆筑翼板時，因溫度變化，翼板混凝土變形受到腹板約束，因而產生橫向裂縫。

3 橋梁加固內容及要點

1)對主梁采用增大截面法，腹板外側布置齒板及轉向塊，張拉體外預應力鋼束，然后澆筑腹板加厚段，預應力束設置在全橋腹板外側，兩端分別錨固于距梁端1.3 m處箱梁腹板上，每側腹板均設置2根5Φ15.2 mm的體外預應力鋼束，全橋共4根鋼束，錨下控制應力為1 116 MPa，預應力布置見圖3。

圖3 新增體外預應力圖(單位:cm)

2)采用常規病害修復措施對上部結構裂縫及混凝土缺陷等病害進行處理。

4 加固計算結果

加固后按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTJ 023-85)承載能力驗算，結果見表3。加固后橋箱梁截面的抗彎承載能力安全系數邊跨跨中為1.13，中跨跨中為1.14，支點處為1.03，箱梁跨中、支點截面抗彎均滿足要求。

表3 加固后箱梁承載能力極限狀態抗彎驗算表

新增體外預應力加固需要對箱梁端部體外索錨固區進行局部分析。在體外索張拉錨固作用下，箱梁腹板與新增齒板交界面處混凝土表層在未考慮原結構普通鋼筋作用下的最大拉應力約為2.4 MPa。體外預應力張拉錨固作用下箱梁應力云圖見圖4。

圖4 體外預應力張拉錨固作用下箱梁應力云圖

5 結論

1)采用體外預應力加固鋼筋混凝土箱梁的加固效率較高，合理布置預應力鋼束，可以有效改善箱梁的受力，增加壓應力的安全儲備，提高抗彎承載力。

2)新增體外預應力加固需要對箱梁端部體外索錨固區進行局部分析，錨固時盡量靠近梁端橫梁布置，錨固區越靠近梁端由此產生的箱梁拉應力越小。

3)體外預應力鋼束的布置受各種構造條件限制，對于梁高較矮的普通鋼筋混凝土連續箱梁橋由于受箱梁翼沿控制，鋼束無法靠近截面上緣布置，導致此類加固方法對支點負彎矩承載能力提高幅度有限。必要時可以考慮對箱梁翼沿鉆孔，抬高支點附近鋼束位置使之布置于橋面鋪裝內，從而大幅提高支點抗彎承載能力。

［1］郁清玲.公路改擴建工程實用手冊［M］.哈爾濱:哈爾濱地圖出版社，2004.

［2］駕栓海.公路橋梁荷載橫向分布計算方法［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［3］尹 恒.箱梁拼寬前后內力變化分析及處理措施［J］.貴州大學學報，2010(1).

［4］JTG/T J22-2008，公路橋梁加固設計規范［S］.