某PC連續(xù)梁橋主梁開(kāi)裂后加固對(duì)策及靜載試驗(yàn)分析

胡朝輝（廣州誠(chéng)安路橋檢測(cè)有限公司）

某PC連續(xù)梁橋主梁開(kāi)裂后加固對(duì)策及靜載試驗(yàn)分析

胡朝輝
（廣州誠(chéng)安路橋檢測(cè)有限公司）

以某五跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋邊跨主梁開(kāi)裂后的加固工程為背景，分析了主梁裂縫產(chǎn)生的原因，詳細(xì)介紹了該橋主梁的驗(yàn)算分析、加固過(guò)程中的監(jiān)測(cè)分析以及加固后的靜載試驗(yàn)分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：本橋邊跨主梁采用施加體外預(yù)應(yīng)力加固能增加箱梁底板的壓應(yīng)力儲(chǔ)備、降低主拉應(yīng)力，施加體外束對(duì)主梁既有裂縫有一定的閉合作用，經(jīng)加固后的橋梁承載能力能滿足設(shè)計(jì)使用要求，為同類(lèi)橋梁的加固設(shè)計(jì)工程提供參考。

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算；靜載試驗(yàn)；體外預(yù)應(yīng)力；承載能力

1　工程概況

某特大橋位于廣州市二環(huán)高速公路，跨京廣鐵路高壓電纜和鐵道道場(chǎng)，其主橋（第12～16跨）跨徑組合為65+3×100+65m，與路線正交。主橋單幅橋?qū)?3.25m。主橋上部結(jié)構(gòu)為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁為三向預(yù)應(yīng)力體系單箱單室結(jié)構(gòu)，頂板寬度為13.25m，底板寬度為6.75m，中支點(diǎn)梁高5.5m，中跨合攏段及邊跨現(xiàn)澆段梁高2.5m，箱梁頂板厚度為26cm，底板厚度為35～80cm，腹板厚度為45～60cm；主橋下部結(jié)構(gòu)采用薄壁空心墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-超20級(jí)，掛-120。

該橋所處交通位置較為重要，交通車(chē)流量大，重車(chē)通行量相對(duì)較多，多年的超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，使橋梁部分構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的病害，經(jīng)外觀調(diào)查，主橋邊跨合攏段箱梁腹板內(nèi)外及底板均產(chǎn)生了大量結(jié)構(gòu)性裂縫，其中腹板裂縫以斜向?yàn)橹鳎装辶芽p以橫向?yàn)橹鳎也糠峙c腹板斜裂縫連通呈U型，縫寬嚴(yán)重超限，最大寬度達(dá)1.2mm，并伴有白色鈣化物結(jié)晶析出，表面裂縫深度已貫通底板，不能滿足正常使用要求，需采取維修加固措施。

2　病害調(diào)查及原因分析

2.1箱梁底板裂縫

在左、右幅第12孔距11號(hào)橋墩8m范圍內(nèi)及左、右幅第16孔距16號(hào)橋墩8m范圍內(nèi)箱外底板存在多條橫向、斜向裂縫，部分橫向裂縫與腹板斜向裂縫貫通，形成U型貫通裂縫，最大裂縫寬度達(dá)1.2mm，部分裂縫析出白色鈣化物。

成因分析：11、16號(hào)橋墩附近的箱梁底板裂縫主要分布于底板齒板前緣區(qū)域，此處有大量底板鋼束錨固，經(jīng)了解，該橋施工合攏完成后，該區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)少量橫向裂縫，施工單位對(duì)裂縫稍密集的右幅12孔底板采用粘貼碳纖維布進(jìn)行了加固處理，由于車(chē)輛的反復(fù)沖擊作用加之超載車(chē)的重載作用，裂縫逐漸擴(kuò)展、延伸，部分裂縫與腹板斜向裂縫貫通。

2.2箱梁腹板裂縫

箱外腹板位置存在多條斜向、豎向裂縫，存在于第12孔、16孔距邊支點(diǎn) 0～8m范圍內(nèi)，縫寬0.14～0.80mm；部分斜向裂縫與箱外底板橫向裂縫貫通為U型裂縫；箱內(nèi)腹板存在多條豎向裂縫，裂縫寬度為0.08～0.20mm。

成因分析：經(jīng)相關(guān)計(jì)算，在承載能力極限狀態(tài)下、邊梁梁端抗彎、抗剪承載力均滿足規(guī)范要求；在正常使用極限狀態(tài)下，11號(hào)及16號(hào)墩附近箱梁腹板處主拉應(yīng)力超限，從而引起腹板斜向開(kāi)裂；由于邊跨箱內(nèi)腹板局部加厚處理，裂縫尚不明顯，而箱外腹板斜向裂縫在腹板加厚前已經(jīng)出現(xiàn)，在超載車(chē)輛荷載的沖擊下，箱外裂縫的長(zhǎng)、寬均有所發(fā)展，部分裂縫延伸至底板，與底板橫縫連通。

3　結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析

3.1主要計(jì)算參數(shù)及荷載組合

考慮本橋的實(shí)際情況，擬定其承載能力檢算系數(shù)為0.95，承載能力惡化系數(shù)為0.08，截面折減系數(shù)0.98，鋼筋截面折減系數(shù)0.95［1］，主要計(jì)算參數(shù)：

⑴50號(hào)混凝土彈性模量：3.5×104MPa；

⑵整體升溫：25℃；整體降溫：-25℃；

⑶支座沉降：主橋邊墩沉降考慮10mm、中墩沉降考慮20mm。

荷載組合見(jiàn)表1所示。

表1　主要計(jì)算參數(shù)和荷載組合［3］

3.2驗(yàn)算分析結(jié)果

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ023-85）及《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）對(duì)主梁承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下驗(yàn)算，部分驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2～表4：

表2　抗彎承載能力驗(yàn)算（kN·m）

表3　箱梁支點(diǎn)正應(yīng)力驗(yàn)算（MPa）

表4　主拉應(yīng)力驗(yàn)算（MPa）

圖1　邊跨現(xiàn)澆段及合攏段局部應(yīng)力云圖（底板上緣）

在承載能力極限狀態(tài)下，箱梁各主要控制截面的抗彎、抗剪承載能力均滿足要求，但箱梁在中墩墩頂抗彎承載能力安全儲(chǔ)備不足；在正常使用極限狀態(tài)下，近11、16號(hào)墩處箱梁驗(yàn)算截面。

在最不利荷載組合作用下正應(yīng)力及主拉應(yīng)力超過(guò)限值，11、16號(hào)橋墩附近的底板裂縫主要分布于底板齒板前緣區(qū)域，由于此處有大量底板鋼束錨固，底板上緣局部應(yīng)力最大值為5.3MPa，底板下緣局部應(yīng)力最大值為3.1MPa，不滿足正常使用要求，其它計(jì)算截面均滿足要求。

表5　張拉過(guò)程中第12跨邊墩支點(diǎn)截面應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.3主梁加固方案

針對(duì)主橋預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁邊跨腹板斜向裂縫和底板橫向裂縫，在邊跨合攏段箱梁底板下緣8m范圍內(nèi)粘貼縱向鋼板條，分散底板鋼束集中錨固產(chǎn)生的局部應(yīng)力及活載和可變荷載產(chǎn)生的正應(yīng)力，同時(shí)邊跨箱內(nèi)靠近底板處張拉四根OVM15-12體外預(yù)應(yīng)力鋼束，增加底板壓應(yīng)力儲(chǔ)備，并采用單端張拉的方式，以減少應(yīng)力集中和減少齒板因過(guò)大拉力而導(dǎo)致開(kāi)裂；在箱梁外腹板粘貼斜向鋼板條進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，提高邊跨近梁端區(qū)域承載能力安全儲(chǔ)備；經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算分析，加固后底板局部應(yīng)力增加約為1MPa，可提高底板壓應(yīng)力安全儲(chǔ)備。

4　加固過(guò)程中的監(jiān)測(cè)分析

為確保本次加固施工達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以及張拉鋼束過(guò)程中的橋梁安全，需對(duì)張拉過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判斷其是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

⑴通過(guò)測(cè)量邊跨邊墩支點(diǎn)附近截面在張拉預(yù)應(yīng)力鋼束過(guò)程中，監(jiān)測(cè)應(yīng)變、裂縫寬度等試驗(yàn)指標(biāo)，與加固設(shè)計(jì)提供的應(yīng)力增加值進(jìn)行對(duì)比，判斷本次張拉所增加的預(yù)應(yīng)力水平是否達(dá)到加固設(shè)計(jì)要求。

⑵通過(guò)測(cè)量邊跨在張拉預(yù)應(yīng)力鋼束前后的橋面高程，觀測(cè)橋面線形在張拉前后的變化情況（無(wú)活載作用下）。

⑶通過(guò)測(cè)量邊跨邊墩支點(diǎn)附近截面在張拉預(yù)應(yīng)力鋼束前后的底板下緣、腹板的裂縫寬度初始值，觀測(cè)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后裂縫的閉合情況（無(wú)活載作用下）。

應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用振弦式應(yīng)變計(jì)，沿箱梁底板縱向連續(xù)布設(shè)的方式布置，以消除底板局部開(kāi)裂引起的測(cè)試誤差，見(jiàn)圖2所示；橋面線型采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置于四分點(diǎn)及跨中；裂縫監(jiān)測(cè)采用千分表，在邊跨箱梁張拉預(yù)應(yīng)力束的區(qū)段腹板和底板各選取1條典型裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表6　張拉前后邊墩支點(diǎn)截面箱梁底板下緣應(yīng)力增量

圖2　應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.2應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表5、表6可知，第12孔邊墩支點(diǎn)截面箱梁底板下緣（A6～A15）測(cè)點(diǎn)在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成后所增加的實(shí)測(cè)壓應(yīng)變?yōu)?22με，經(jīng)換算后的實(shí)測(cè)壓應(yīng)力增量為0.77MPa；第16孔邊墩支點(diǎn)截面箱梁底板下緣（B6～B15）測(cè)點(diǎn)在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成后所增加的實(shí)測(cè)壓應(yīng)變?yōu)?34με，經(jīng)換算后的實(shí)測(cè)壓應(yīng)力增量為1.19MPa。

4.3裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果

在體外預(yù)應(yīng)力束的作用下，加固后支座附近梁體裂縫的初始寬度有一定程度的閉合，最大部位閉合了0.171mm，見(jiàn)表7。

4.4線型測(cè)量

采用精密水準(zhǔn)儀張拉預(yù)應(yīng)力束前后的橋面線型進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示，張拉前與張拉后的橋面線形相比，未出現(xiàn)明顯變化。

5　加固后靜載試驗(yàn)分析

表7　加固過(guò)程中裂縫監(jiān)測(cè)（mm）

對(duì)加固后的橋跨進(jìn)行靜載試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量控制截面在張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后試驗(yàn)荷載作用下最大撓度、最大拉應(yīng)變、裂縫寬度等試驗(yàn)指標(biāo)，來(lái)評(píng)價(jià)橋梁的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的要求［4］。

5.1試驗(yàn)工況及加載效率

試驗(yàn)加載位置與加載工況的確定主要根據(jù)設(shè)計(jì)汽車(chē)活載在主梁上的最不利彎矩效應(yīng)值，根據(jù)試驗(yàn)方法的規(guī)定，荷載試驗(yàn)的加載效率在0.80～1.00之間，本橋采用6臺(tái)重約35t的重車(chē)，分兩個(gè)加載工況，分別為：邊跨主梁最大正彎矩工況、邊跨邊墩支點(diǎn)附近截面最大剪力工況。

表8　試驗(yàn)荷載效率系數(shù)

5.2測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試內(nèi)容

撓度測(cè)點(diǎn)及支點(diǎn)截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均選取加固過(guò)程中監(jiān)測(cè)所用的測(cè)點(diǎn)，最大正彎矩截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)在箱內(nèi)頂?shù)装寮案拱澹?jiàn)圖3所示。

圖3　邊跨最大彎矩截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

5.3測(cè)試結(jié)果與分析

試驗(yàn)跨滿載工況下的最大撓度、應(yīng)力及其校驗(yàn)系數(shù)、殘余系數(shù)見(jiàn)表9所示。

由表9可知，試驗(yàn)跨在張拉后各工況下實(shí)測(cè)撓度、梁底應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)在0.67～0.91之間，滿足《試驗(yàn)方法》［5］的要求；實(shí)測(cè)撓度與應(yīng)變的殘余變形系數(shù)均小于0.2，滿足《試驗(yàn)方法》的要求；滿載時(shí)，12#邊跨、16#邊跨控制截面撓度最大實(shí)測(cè)值分別為12.96mm、13.30mm，均小于L0/600（L0為計(jì)算跨徑），滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

6　結(jié)論

⑴本橋跨京廣鐵路高壓電纜和鐵道道場(chǎng)，場(chǎng)地的不利條件對(duì)梁體開(kāi)裂區(qū)段的加固施工帶來(lái)不便，采取在箱內(nèi)增設(shè)體外小束小噸位多索預(yù)應(yīng)力束并進(jìn)行單端張拉的方式加固，能滿足施工要求，加固方案具有一定的針對(duì)性，可供同類(lèi)型加固工程借鑒。

⑵本橋邊跨主梁采取張拉體外預(yù)應(yīng)力的加固方案，增加了邊跨箱梁底板的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，同時(shí)加固區(qū)段腹板的主拉應(yīng)力有所降低，齒板位置的底板局部應(yīng)力狀況得到一定的改善，箱梁原有裂縫寬度有一定程度的閉合。

⑶經(jīng)加固后的橋梁在試驗(yàn)荷載作用下，其各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，橋梁的承載能力能滿足汽車(chē)-超20級(jí)、掛-120荷載等級(jí)的要求，加固效果較好。●

［1］交通部公路科學(xué)研究所，等.公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程（JTG/TJ21-2011）［M］.2011.

［2］交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ023-85）［M］.1985.

［3］顧安邦.橋梁工程（下冊(cè)）［M］.人民交通出版社，北京，2000.

［4］湛潤(rùn)水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗(yàn)［M］.人民交通出版社，北京，2003.

［5］交通部公路科學(xué)研究所，等.大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法［M］.1982.