預應力混凝土小箱梁跨中裂縫成因分析與加固方案比選

薛達，王石磊，馮海龍

（1.廣州交投城市道路建設有限公司，廣東廣州510000；2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

預應力混凝土小箱梁跨中裂縫成因分析與加固方案比選

薛達1，王石磊2，馮海龍2

（1.廣州交投城市道路建設有限公司，廣東廣州510000；2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

預應力混凝土小箱梁由于其構造簡單、施工方便等特點被廣泛應用到公路工程中。某高速公路橋梁定期檢查時發現，預應力混凝土小箱梁普遍存在邊梁跨中腹板斜向開裂現象。本文對病害成因進行分析，并提出粘貼鋼板、體內預應力加固和體外預應力加固3種加固方案，通過加固前后荷載試驗對各方案的加固效果進行了評估。

預應力混凝土小箱梁；腹板斜向開裂；加固方案；效果評估

1　橋梁概況

某高速公路大橋上部結構采用17×25m簡支后張法預應力混凝土小箱梁，橫向布置15片梁。梁高1.05m，中梁寬1.49m，邊梁寬1.495m，頂部設10cm厚現澆混凝土整體化層。橋面為雙向8車道，鋪設8cm厚瀝青混凝土鋪裝層。每跨跨中防撞墻設置2cm寬的鋸縫。該橋按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 023—1985）設計，設計荷載為汽-超20、掛-120，于2002年建成。梁體一般構造見圖1。

圖1　梁體一般構造（單位：cm）

定期檢查時發現該橋內外側邊梁跨中腹板存在斜向開裂現象（見圖2），部分裂縫已延伸至倒角或梁體底板，部分梁體底板橫向裂縫甚至與兩側腹板貫通，呈U形，裂縫最大寬度0.41mm，危及橋梁運營安全。

圖2　邊梁跨中腹板斜向開裂

2　病害成因分析

利用有限元軟件MIDAS Civil/2015對該橋原設計狀態進行結構驗算，在正常使用極限狀態下，邊梁及次邊梁的上下緣法向應力計算結果見表1。可見邊梁與次邊梁的受力狀態均滿足JTG 023—1985要求，但安全儲備不大。

表1　正常使用極限狀態下法向應力計算結果（1.0倍設計活載參與作用）MPa

結構病害的出現主要有如下原因：

1）超載作用。結合該高速公路超載現狀，考慮1.3倍的活載超載系數，利用MIDAS Civil/2015對該橋原設計狀態進行結構驗算，驗算結果見表2。可見，原設計狀態在考慮超載車工況的情況下，梁體下緣拉應力超限，導致梁底橫向開裂、腹板豎向開裂。

2）小箱梁跨中防撞墻鋸縫設置不合理。文獻［1］表明，防撞墻與小箱梁截面積相差不大時，防撞墻與梁體共同受力，并在一定程度改變梁體的受力特性。防撞墻在跨中設置鋸縫后，邊梁截面特性發生突變。一旦荷載超過梁體承載力，裂縫將向這一薄弱截面發展，從而導致邊梁腹板斜向開裂。

表2　正常使用極限狀態下法向應力計算結果（1.3倍設計活載參與作用）MPa

3　加固方案

由于小箱梁防撞墻鋸縫設置不合理，加固時鑿除跨中兩側各0.5 m范圍內的防撞墻并重新施作，在取消防撞墻中央鋸縫的基礎上提出3種加固方案。

1）粘貼鋼板加固。對底板出現橫向開裂的混凝土小箱梁粘貼縱向鋼板，對跨中區域出現斜向開裂的腹板粘貼U形鋼板，以限制裂縫的發展并適當提高結構安全儲備，最終使上部結構的受力性能達到B類構件的設計要求。

2）體內預應力加固。在小箱梁腹板外側加大截面，埋設預應力索，待加大截面混凝土達到強度后，張拉預應力，增加梁體下緣壓應力儲備，最終使梁體的受力性能達到設計要求。

3）體外預應力加固。在小箱梁的端部和四分點處設置錨固塊和轉向塊并穿設成品鋼絞線，待錨固塊和轉向塊達到設計強度后張拉體外預應力，增加梁體下緣壓應力儲備，最終使梁體的受力性能達到設計要求。

4　加固方案比選

通過試驗跨加固前后荷載試驗，對3種加固方案的實際加固效果進行評估。荷載試驗部分測點布置見圖3。

圖3　跨中測點布置（單位：cm）

1）受力情況。試驗跨加固前后1#～3#梁跨中截面最大級荷載下梁體底緣平均應變對比見表3。

表3　最大級荷載下梁體底緣平均應變對比×10-6

由表3可知：在最大級荷載下，加固后試驗跨1#～3#梁跨中截面底緣實測應變幅值接近，3種加固方案均可對原結構受力起到改善效果；3種加固方案跨中截面底緣平均實測應變幅值分別降低66%，63%，15%。

2）預應力度。試驗跨3#梁底緣測點3-1～3-3加固前后實測應變與荷載效率關系曲線見圖4。從圖4可知：加固前隨著荷載效率的增加，實測應變值呈非線性快速增長，部分測點存在退化現象，說明梁體預應力度不足導致梁體開裂，且在第一級荷載作用下，梁體已經開裂。

圖4　加固前后梁體底緣應變與荷載效率關系曲線

加固后上述試驗跨應變幅值均顯著下降，但粘貼鋼板后梁底實測應變與荷載效率的線性關系仍不佳，該方案不能改善原結構的預應力度；張拉體內預應力后，梁底實測應變與荷載效率的線性關系良好，可以有效改善原結構的預應力度；張拉體外預應力后，梁底實測應變與荷載效率的線性關系仍不佳，但梁體開裂時機明顯后移，可以對原結構預應力度不足現象起到一定的改善作用。

3）梁體剛度。試驗跨加固前后1#～3#梁跨中實測撓度對比見表4。從表4可知：在最大級荷載下加固后試驗跨1#～3#梁跨中截面實測撓度接近，3種加固方案均可對原結構剛度起到提升效果；3種加固方案跨中截面平均實測撓度分別降低32%，32%，7%。

表4　加固前后梁體跨中實測撓度mm

4）施工便捷性。3個加固方案中，粘貼鋼板最為便捷，其次是體外預應力，最后是體內預應力。

綜上分析，采取粘貼鋼板方案對梁體進行加固。

5　結論

1）設計時應充分考慮超載作用及防撞墻鋸縫位置對小箱梁受力的影響。

2）粘貼鋼板、體內預應力加固及體外預應力加固3種加固方案均可改善梁體受力狀況，采用粘貼鋼板方案對梁體進行加固更為合適。

［1］嚴國兵，高巖.預制小箱梁受力性能評估及特殊病害成因分析［J］.鐵道建筑，2013（8）：1-5.

［2］馮海龍，高巖，胡強.預應力混凝土連續箱梁病害評估及成因分析［J］.鐵道建筑，2015（11）：21-23.

［3］陳韻，劉伯奇.預應力混凝土連續箱梁加寬改造后安全評估［J］.鐵道建筑，2015（6）：24-26.

［4］中華人民共和國交通部.JTJ 021—1989公路橋涵設計通用規范［S］.北京：人民交通出版社，1989.

［5］中華人民共和國交通部.JTG 023—1985公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京：人民交通出版社，1985.

［6］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004公路橋涵設計通用規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［7］中華人民共和國交通部.JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

（責任審編李付軍）

Causes Analysis of Crack in Mid-span of Prestressed Concrete Small Box-girder and Selection of Reinforcement Schemes

XUE Da1，WANG Shilei2，FONG Hailong2
（1.Guangzhou City Road Construction Co.，Ltd.，Guangzhou Communication Investment Group，Guangzhou Guangdong 510000，China；2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Small prestressed concrete small box-girders are widely used in highway due to their simple structure and convenient construction.During a regular inspection of a highway bridge，diagonal web cracks at midspans of the side girders were inspected and regarded as a common disease.In this paper，the cracking causes were analyzed.T hree reinforcement schemes were proposed：reinforcement with steel plates，extra prestress and external prestress.T he reinforcement effect was assessed through experimental tests.

Prestressed concrete small box-girder；Diagonal web crack；Reinforcement scheme；Effect assessment

U445.7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.03

1003-1995（2016）10-0010-03

2016-05-13；

2016-06-22

薛達（1987—），男，助理工程師，碩士。