佛開高速公路預應力混凝土連續工字梁橋加固后狀態評估

陳 云，劉伯奇

(1.廣東省佛開高速公路有限公司，廣東 佛山 528000;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概述

佛開高速公路某特大橋引橋上部結構采用7×20 m預應力混凝土連續工字梁(單幅橫向布置4片)，梁高110 cm。下部結構為鋼筋混凝土樁柱式橋墩、肋板式橋臺，支座采用板式橡膠支座。橋面采用水泥混凝土鋪裝。設計荷載為汽車—超20級、掛車—120。該橋于1994年3月8日開工，1996年8月建成通車。支點橫斷面如圖1所示。

在2007年橋梁定期檢查中，發現工字梁梁端處裂縫出現了很大程度的發展。裂縫形式主要有以下3種:①梁端腹板頂部的斜向裂縫;②梁端腹板的豎向裂縫;③貫通梁端腹板以及底板的U型裂縫，裂縫基本沿著梁端濕接頭與預制梁接縫的位置。典型的裂縫病害形式如圖2所示。

圖1 20 m跨連續工字梁支座處橫斷面(單位:cm)

根據歷年的檢查檢測情況，對20 m連續工字梁墩頂濕接縫及端橫隔板采用增大截面的方法進行了加固，并增設了橫向預應力，具體加固構造如圖3、圖4所示。

圖2 工字梁加固前病害情況典型照片

圖3 墩頂濕接縫加固立面構造(單位:cm)

圖4 墩頂濕接縫加固平面構造(單位:cm)

2 評價思路及內容

2.1 評價

1)加固效果有效性評價

本次評價主要通過荷載試驗及計算分析的方式，對橋梁加固后是否滿足設計荷載使用要求，及橋梁加固后承載力的提高進行量化分析。

①基于計算分析的有效性評價

根據加固設計圖紙，采用計算分析的方法，給出加固前后橋梁承載力的提高率。

②基于荷載試驗的有效性評價

荷載試驗的方法與結構計算方法不同，它比較直接地反映了橋梁加固后，設計活載作用下橋梁真實的響應，是對使用階段橋梁受力、變形改善情況的直觀檢驗。本次通過荷載試驗給出加固前后設計活載下混凝土(或鋼筋)應力的改善情況，對加固效果進行評價。

2)加固效果耐久性評價

采用取芯方法檢測新增混凝土與原混凝土的黏結及協同受力情況。要求黏結較好，不出現脫層現象。

2.2 主要工作內容

1)外觀檢查。增大截面加固方式主要檢查新增混凝土表觀狀況以及采用取芯方法檢測新增混凝土與原混凝土的黏結及協同受力情況。

2)計算分析。通過對試驗橋跨的計算分析，驗算加固后結構是否能滿足規范要求、加固措施對結構受力的改善情況。

3)荷載試驗。本次試驗橋跨選擇該橋第44～50跨(7×20 m預應力混凝土連續工字梁)進行。通過荷載試驗，分析加固之后試驗橋聯受力是否能滿足規范要求。

3 橋梁加固后狀態評估

3.1 歷年檢測情況

通過2008年至2012年對梁端加大截面區域檢測結果的對比分析，工字梁梁端新增混凝土倒角處有短細裂縫，寬度約為0.1 mm左右;從裂縫形態上來看，屬于混凝土收縮裂縫，與梁端原有裂縫無明顯對應關系。

3.2 現場抽芯檢測

檢查結果顯示，梁體兩側腹板加大截面處新舊混凝土交接面質量較差，普遍存在開裂現象;取芯檢測也表明，新舊混凝土間黏結質量普遍較差，在抽取的20個芯樣中僅有一個芯樣新舊混凝土間連接狀況較好。根據原設計圖紙，新增混凝土與舊混凝土間未明確要求進行鑿毛處理，僅涂刷界面劑，在加固完成至今原有界面劑老化從而影響了新老混凝土間的黏結，對加固效果也有較大的影響。

3.3 計算分析

本次計算分析工作選取靜載試驗所選取橋跨的工字梁進行結構檢算，計算時針對該橋的主要加固措施計算以下內容:

1)七孔一聯連續梁模型(原設計狀態)，驗算在原設計狀態下結構受力是否滿足規范要求，根據計算結果對結構病害原因進行分析。

2)針對梁端增大截面的加固方式進行專項驗算，驗算經加固后結構梁端抗剪承載力是否滿足要求。

結構計算其它參數按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTJ 023—85)規定選取。

3.3.1 原設計狀態承載力極限狀態驗算(表1、表2)

表1 承載能力極限狀態彎矩檢算 kN·m

表2 承載能力極限狀態剪力檢算 kN

從承載能力極限狀態檢算結果可知，原橋梁結構抗彎承載能力基本滿足規范要求，但次邊跨跨中抗彎承載能力以及梁端抗剪承載能力富余量較小。這也是梁端濕接縫與梁體交界處出現斜向開裂的主要原因。

3.3.2 針對梁端加固方式進行專項驗算

針對梁端增大截面的加固方式進行專項驗算，偏安全地僅考慮新增截面參與受力進行抗剪驗算。加固后結構支點處最大剪力Qj=1 012 kN，按照加固設計規范計算最大抗力Vj=1 556 kN。

可見采用增大截面的方法，在不考慮原結構抗剪承載能力情況下，加固后結構抗剪承載能力能夠滿足規范要求。這說明采用增大截面的加固方式對梁端進行加固處理，可以有效地提高梁端截面的抗剪承載力。

3.4 荷載試驗

3.4.1 試驗內容

根據預應力混凝土連續工字梁結構的受力特點，本橋靜載試驗的測試截面共4個，分別為第50跨0.4L處最大正彎矩截面(A)、49#墩墩頂最大負彎矩截面(B)、第49跨跨中最大正彎矩截面(C)以及第47跨跨中最大正彎矩截面(D)。測試截面的分布情況見圖5。

通過對結構的主要控制截面進行靜載測試，了解測試截面在試驗荷載作用下的應變分布及變形情況，評定結構加固后的工作狀態。

圖5 預應力連續工字梁橋跨測試截面(單位:m)

主要測試內容如下:

1)測試各控制截面的應變，根據試驗結果分析結構經加固后主控截面是否滿足設計要求;

2)測試各控制截面的撓度，根據實測試驗荷載作用下的變位狀況，判斷結構整體剛度狀況;

3)測試各主控截面相鄰跨跨中的變位，根據實測試驗荷載作用下相鄰跨的變位情況，對結構的整體變形狀態進行評價，以此判斷加大截面方式加固結構整體變形是否正常。

3.4.2 主要測試結果

1)結構在卸載后各測點的相對殘余變形均小于20%，基本上滿足《評定規程》中的要求，說明各測試截面均處于彈性工作狀態。

2)各抗裂測點應變與荷載效率呈良好的線性關系，且試驗過程中各測點應變無畸變、退化現象，說明經施加體外預應力加固處理之后梁體抗裂性基本滿足要求。

3)通過對跨縫測點實測數據分析，試驗過程中結構的裂縫雖然有一定程度的擴展，但卸載后均能恢復。

4)結構實測撓度變形的平均值均小于理論值，加載孔兩側橋跨的變形基本上符合連續梁的受力特點，未出現異常變形，表明加固后結構連續狀況基本良好，說明梁端增大截面的加固措施是有效的。如圖6至圖8所示。

5)各測試截面的應變、撓度校驗系數(表3)均滿足規范要求。

圖6 A截面最大級工況下1#梁實測撓曲線與理論撓曲線對比

圖7 C截面最大級工況下1#梁實測撓曲線與理論撓曲線對比

圖8 D截面最大級工況下1#梁實測撓曲線與理論撓曲線對比

表3 20 m跨工字梁荷載試驗校驗系數一覽

4 結語

1)加固方式有效性評價

理論計算分析可知，對梁端加大截面加固后截面抗剪承載力明顯提高，即使不考慮原有混凝土結構的抗剪承載力，新增混凝土部分的抗剪承載力也可滿足規范要求。以往檢測資料以及本次檢測結果顯示，加固之后梁端狀況基本正常，新增混凝土表面存在一些由于混凝土收縮造成的豎向開裂，裂縫位置與梁端原有裂縫位置對應關系不明顯，梁端原有混凝土未出現重新開裂現象。同時從荷載試驗結果來看，結構變形曲線滿足連續梁的變形規律。這都說明經過增大截面加固后梁端抗剪承載力能夠滿足規范要求，加固后梁端斜裂縫得到較好的抑制。

2)加固方式耐久性評價

從現場外觀檢查結果來看，梁端原有混凝土未出現重新開裂現象，但新增混凝土表面存在較多的豎向收縮裂縫;取芯結果顯示，新舊混凝土之間黏結狀況普遍較差，絕大多數芯樣新舊混凝土之間存在明顯分層現象(這主要與加固施工時未對舊混凝土進行鑿毛處理以及界面劑老化等因素有關)，對加固效果的耐久性有較大的影響。

3)對后期采用該項加固方法的建議

①為了保證新增混凝土能有效地發揮作用，應保證新舊混凝土間黏結質量，建議加固施工時對舊混凝土表面進行鑿毛處理，嚴格控制界面劑的質量及施工工藝。

②加強加固施工過程中對新增混凝土的養護，盡量減少由于養護不當產生的混凝土收縮裂縫。

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