現(xiàn)澆剛構(gòu)連續(xù)箱梁裂縫修復(fù)加固技術(shù)措施

蔡其華

(中鐵二局大西鐵路客運(yùn)專線指揮部第一項目部，山西運(yùn)城043800)

由于大跨徑連續(xù)梁橋具有造價低、截面剛度大、施工工藝成熟、養(yǎng)護(hù)簡單等優(yōu)點，在我國的城市交通和高速公路、鐵路中都得到廣泛應(yīng)用。大跨徑連續(xù)梁橋一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，采用掛籃懸臂澆筑的施工方法。盡管技術(shù)規(guī)范、驗收標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計文件對大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁施工控制有嚴(yán)格要求，但是現(xiàn)場施工中由于預(yù)應(yīng)力管道定位誤差超標(biāo)、混凝土施工質(zhì)量控制不嚴(yán)、張拉順序不合理和人為失誤等原因致使預(yù)應(yīng)力筋張拉后局部混凝土產(chǎn)生裂縫，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性和耐久性降低，危及結(jié)構(gòu)的使用安全，對出現(xiàn)裂縫的梁體必須進(jìn)行修復(fù)加固。本文以衡昆國道主干線云南富寧至廣南高速公路蘇古特大橋(65+110+65)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁出現(xiàn)的裂縫病害進(jìn)行研究，提出對箱梁的修復(fù)加固技術(shù)措施。

1 工程概況

衡昆國道主干線云南富寧至廣南高速公路蘇古特大橋上部結(jié)構(gòu)為(65+110+65)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁。箱梁根部高度6.5 m，跨中高度2.5 m;箱梁根部底板厚70 cm，跨中底板厚28 cm;箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次拋物線變化。箱梁腹板根部厚60 cm，跨中厚40 cm;箱梁腹板厚度在腹板變化段按直線段漸變，由厚60 cm變至40 cm。箱梁頂板厚度25 cm，頂寬12 m，底寬6 m，頂板懸臂長度3 m，懸臂板端部厚15 cm，根部厚70 cm。采用三向預(yù)應(yīng)力。縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用美國ASTM A416－97A標(biāo)準(zhǔn)270級高強(qiáng)度低松馳鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa，設(shè)計錨下張拉控制應(yīng)力1 395 MPa。箱梁縱向鋼束每股直徑15.24 mm，大噸位群錨體系;頂板橫向鋼束每股直徑12.7 mm，扁錨體系;豎向預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋鋼筋。縱向預(yù)應(yīng)力束管道采用預(yù)埋塑料波紋管成孔，真空輔助壓漿工藝。橫、豎向預(yù)應(yīng)力束(筋)管道采用預(yù)埋金屬波紋管成孔。混凝土采用C55混凝土。

2 梁體裂縫分布情況

2008年2月在交工驗收檢查中發(fā)現(xiàn)蘇古特大橋右線橋2號墩中跨10號段(合龍段)梁底兩側(cè)及中間有橫斜向裂縫，崩裂0.1～3 mm寬。左側(cè)邊緣至2.2 m范圍有裂縫約7條，右側(cè)邊緣至1.5 m范圍有裂縫約5條，左側(cè)延伸至9號段1.2 m長，右側(cè)延伸至9號節(jié)段0.7 m長。

3 裂縫原因分析及處理措施

蘇古特大橋右線橋2號墩中跨10號段箱梁內(nèi)頂板、腹板、底板、齒板均未發(fā)現(xiàn)有裂紋，只有梁底兩側(cè)及中間有縱斜向裂縫，初步分析認(rèn)為是因為施工10號段混凝土?xí)r造成底板連續(xù)鋼束位置與設(shè)計位置偏差，在中跨合龍后張拉底板連續(xù)鋼束時產(chǎn)生的裂縫。

由于本橋所有鋼束均已經(jīng)張拉完畢，且已灌漿封錨，加固方案遵循保持原預(yù)應(yīng)力鋼束不動，盡量減少對原結(jié)構(gòu)造成損傷的原則。擬采用在箱梁底板增設(shè)橫向肋，裂縫采用灌注環(huán)氧漿封閉裂縫法對裂縫進(jìn)行封堵。

3.1 加固前箱梁受力分析

本橋中跨跨中附近梁段，底板布置了20根19j15.24鋼絞線，鋼絞線設(shè)計錨下控制張拉應(yīng)力1 395 MPa，經(jīng)理論計算分析，在跨中附近區(qū)段，鋼絞線的有效張拉應(yīng)力約為1 255.5 MPa，底板預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲半徑為800 m。據(jù)此，每根鋼絞線對跨中底板產(chǎn)生的徑向力為4.175 kN/m，即在此區(qū)段內(nèi)，每個斷面跨中底板作用著由鋼束產(chǎn)生的83.5 kN/m的等效荷載，這組荷載的直接效應(yīng)就是對箱梁的底板產(chǎn)生彈性內(nèi)力。箱梁底板鋼束產(chǎn)生徑向力的示意如圖1所示。

采用空間結(jié)構(gòu)分析程序?qū)υ摌虺霈F(xiàn)病害梁段進(jìn)行建模分析。混凝土單元采用SOLID45單元，邊界條件按實際受力狀況進(jìn)行模擬，預(yù)應(yīng)力采用等效荷載法按照各箱梁節(jié)段的順橋向長度，沿著對應(yīng)預(yù)應(yīng)力鋼束位置處的各節(jié)點施加豎向均布荷載，該荷載即為預(yù)應(yīng)力張拉所產(chǎn)生的徑向力。計算荷載時，充分考慮了預(yù)應(yīng)力的損失，建模如圖2所示。

經(jīng)過計算，在底板預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力作用下，合龍段處底板最大豎向拉應(yīng)力發(fā)生在倒角附近，應(yīng)力值為0.55 MPa，合龍段處底板最大橫向拉應(yīng)力發(fā)生在底板底層，應(yīng)力值為0.6 MPa(圖3、圖4)。

從以上計算結(jié)果可以看出，底板應(yīng)力相對較小，考慮普通鋼筋作用，在張拉預(yù)應(yīng)力時底板拉崩的可能性很小，底板出現(xiàn)拉崩的主要原因應(yīng)為施工時底板防崩鋼筋沒有有效布置所致。

由底板預(yù)應(yīng)力鋼束豎彎引起的徑向力，對底板混凝土產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，隨著混凝土拉應(yīng)力的增加，存在該局部區(qū)段形成裂縫的可能。取跨中有病害梁段計算，該部分梁段通過19j15.24的預(yù)應(yīng)力鋼束20束，鋼束豎彎半徑R=800 m，每根鋼束的徑向力為4.175 kN/m。

新增橫向肋高70 cm，肋寬60 cm，采用矩形斷面進(jìn)行設(shè)計。經(jīng)計算橫向肋跨中最大計算彎矩Mj=135.7 kN·m。

按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行配筋計算，采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ 023－85)第4.1.6條公式，經(jīng)計算配置鋼筋面積A g=17.8 cm2(采用4根25的鋼筋)，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ 023－85)第4.2.5條公式，經(jīng)計算，裂縫寬度δf=0.12 mm，滿足規(guī)范要求。

圖1 鋼束徑向力示意

圖2 有限元整體計算模型

圖3 加固前豎向拉應(yīng)力云圖

圖4 加固前橫向拉應(yīng)力云圖

3.2 新增橫向肋局部應(yīng)力分析

3.2.1 模型建立

采用在箱梁節(jié)段內(nèi)增設(shè)橫向肋的方式進(jìn)行箱梁底板加強(qiáng)，對加肋后箱梁底板的應(yīng)力情況進(jìn)行建模計算分析。采用SOLID45塊體單元進(jìn)行建模，具體模型如圖5所示。

圖5 有限元整體計算模型

3.2.2 結(jié)果分析

經(jīng)過建模計算分析，增設(shè)橫向肋后，箱梁底板應(yīng)力有所降低，箱梁底板倒角最大拉應(yīng)力為0.3 MPa，箱梁橫向拉應(yīng)力為0.4 MPa，較加固前的應(yīng)力降低幅度約為45%，且均滿足設(shè)計規(guī)范要求(圖6、圖7)。表明增設(shè)橫向肋后，起到了降低底板混凝土拉應(yīng)力、防止底板開裂的作用。

圖6 豎向拉應(yīng)力云圖

圖7 橫向拉應(yīng)力云圖

3.3 修復(fù)加措施

(1)在需要修補(bǔ)裂縫的梁段下安裝底板吊架。

(2)裂縫修補(bǔ)措施:對于裂縫寬度大于或等于0.15 mm裂縫，進(jìn)行灌漿處理;對于寬度小于0.15 mm裂縫，進(jìn)行表面封閉。

(3)在新增橫肋施工前，應(yīng)利用原箱內(nèi)跨中處臨時固結(jié)底座進(jìn)行壓重，待新增橫肋施工完成且混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，再拆除合龍段的臨時固結(jié)底座。

(4)按照加固設(shè)計圖，首先鑿毛增設(shè)橫肋處底板及腹板混凝土并種植鋼筋，鑿除跨中新加橫向肋范圍原底板橫向鋼筋保護(hù)層混凝土。在鑿除過程中，應(yīng)注意不要損傷底板原縱向鋼筋及橫向鋼筋，在原橫向鋼筋處幫焊一根16橫向鋼筋，穿U形鋼筋箍住橫向鋼筋，穿過底板與橫肋鋼筋牢固焊接，注意沿底板鉆孔灌注改性環(huán)氧膠使受力鋼筋與混凝土之間形成整體。同時在底板澆筑橫肋處開鑿剪力槽，以利于后澆混凝土的充分結(jié)合。對鑿除區(qū)域進(jìn)行澆筑聚合物混凝土進(jìn)行修復(fù)，澆筑橫向肋成型、養(yǎng)護(hù)，達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

處理完成后對該橋進(jìn)行了動、靜載試驗，裂紋未發(fā)展，也未出現(xiàn)新的裂紋。經(jīng)過兩年多的運(yùn)營跟蹤檢查，裂縫沒有繼續(xù)發(fā)展和出現(xiàn)新裂紋，實踐證明處理措施正確，具有可靠的實用性。

[1]JTJ 001－97公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]

[2]JTJ 021－89公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S]

[3]JTJ 023－85公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S]

[4]JTJ 025－86公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[5]JTJH11－2004公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S]

[6]GB 50367－2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S]