預應力連續箱梁橋病害分析與加固研究

楊 輝

(重慶交通大學土木工程學院,重慶 400070)

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預應力連續箱梁橋病害分析與加固研究

楊 輝

(重慶交通大學土木工程學院,重慶 400070)

變截面預應力混凝土連續箱梁橋是近些年來發展較快、技術成熟的一種橋型，在我國各大山川平原均有廣泛應用。作為其主要承重的預應力混凝土連續箱梁結構，其病害問題影響橋梁的正常使用，威脅車輛的正常通行。隨著我國大量橋梁的建設，對橋梁檢測方面技術的投入更加深入的研究有重要意義。更好的橋梁檢測與加固技術，才能保證橋梁的安全性、可靠性，并減少工程造價和資源浪費。文章根據某橋歷年的質量檢測報告，對其病害成因進行了力學分析，提出了多種加固方法，驗算結果表明加固后橋梁結構各截面拉應力和主拉應力都不同程度地減小，結構承載力和剛度都得到較大提高。其成果將為此類橋梁的檢測和加固維修提供理論依據及更好地指導施工。

變截面； 預應力； 連續箱梁橋； 病害分析； 維修加固

橋梁是連接山南海北的核心，是各種交通要道的咽喉，橋梁的修建對保證交通順暢起關鍵作用。近年來，預應力連續箱梁橋由于具有行車平穩舒適、跨越能力大的特點以及簡潔明快的造型，在國內外一直被廣泛采用。然而，在使用過程中，由于外荷載、交通量的大增及不確定環境因素等的影響，結構承載力和耐久性逐漸衰退，嚴重影響道路的正常通行。據統計，中國正在服役的眾多橋梁中，許多出現了不同程度的病害，滿足不了現在猛增的交通需要。實踐證明，拆除不滿足要求的橋梁重新修建是不必要的，而在原有橋梁基礎上直接加固的造價比新建減少10 %～30 %，工期縮短將近50 %，而且投資回收速度加快。如何對現有橋梁進行及時的檢測和有效、快捷的加固，是橋梁設計和建設面臨的一個重要課題。本文以深圳市機荷高速平湖編組站大橋為工程背景，闡述預應力連續箱梁橋的病害及其分析，研究該類橋型的加固方案，為同類型橋梁加固提供借鑒。

1 工程概況

機荷高速公路平湖編組站大橋位于深圳市西北平湖鎮，跨越平南鐵路平湖編組站。大橋軸線與鐵路交角90°，分為前引橋、主橋、后引橋三部分，為分離式雙幅橋(圖1～圖3)。其中，左幅橋上部結構橋跨組合為6×30m+(42.5+2×65+42.5)m+3×30m+20m+20.32m，右幅橋上部結構橋跨組合為6×30m+(42.5+2×65+42.5)m+2×30m+2×20m+20.46m。

主橋上部結構為四跨三向預應力混凝土單箱單室變截面連續箱梁。主墩處梁高2.6m，為主跨長的1/25，跨中及過渡墩處梁高1.5m，為主跨長的1/43.3。箱梁底板寬8.55m，頂板寬15.75m，頂板厚0.28m，腹板厚度為0.4m的等厚板，底板厚度由跨中的0.3m變化至墩底的0.45m。箱梁翼緣板懸臂3.6m。

圖1 橋梁整體布置(單位：cm)

圖2 主橋橋梁平面布置(單位：cm)

(a)跨中截面 (b)支點截面圖3 橋梁橫斷面布置(單位：cm)

2 病害橋梁現狀

2.1 主要病害

(1)主跨跨中下撓。通過對左右幅橋面線形測量以及主橋箱梁梁底標高測量數據整理分析可知，梁底實測相對標高與竣工圖最大下撓最大為112.5 mm。預應力混凝土梁橋跨中下撓是該種橋型的通病，該撓度值則說明結構已經存在安全隱患。

(2)箱梁內外出現較多裂縫。箱外底板橫向裂縫主要分布在箱梁中跨L/4～3L/4橋跨范圍內；底板、頂板縱向裂縫，多與預應力管道分布位置重合；橫向裂縫主要出現在跨中處，大部分延伸至腹板。

(3)防撞護欄保護層略薄，部分有銹蝕現象。

(4)體外預應力鋼束松弛。

(5)箱梁內部橫隔板處積水嚴重。

2.2 典型病害成因分析

2.2.1 主跨跨中下撓

通過調查以及“2012年～2015年線形及裂縫寬度監測結果”表明，跨中下撓應該是在橋梁建成的早期幾年內出現的，近4年橋面線形比較穩定，變化不大，未出現明顯繼續下撓現象。

(1)由于該橋常用滿堂式支架施工，在拆除支架后由于箱梁整體脫架，在預拱度設置以及拆除支架控制等因素綜合作用下導致跨中出現下撓，這是下撓過大發生在橋梁建成早期的主要原因。

(2)混凝土收縮徐變系數與混凝土的配合比、施工環境及各種添加劑等因素均緊密相關，通常主梁混凝土在多重因素影響下的實際徐變量要高于理論徐變量；此外，由于橋梁長期處于車輛荷載作用下，長期持續作用的活載具有很大的“恒載”特性，對主梁的徐變變形有較大影響，各因素綜合作用下導致跨中出現下撓。

(3)該橋已投入使用近20a，主梁體內預應力產生了一定程度的損失。后期通過體外預應力加固的方式對原橋預應力予以一定的補償，但由于中跨體外預應力完全失效，體外預應力加固的效力也未達到預期的效果。

(4)隨著交通量的增大，重型、超重型車輛的增多，造成活載過大，也會引起本橋下撓。

2.2.2 箱梁裂縫

開裂成因很難歸結為單一的開裂機理，通常開裂是在幾個因素疊加的情況下發生。預應力混凝土箱梁很難避免開裂，因為不但存在混凝土局部收縮的不可控因素，而且箱梁也不是每個部位都是三向受壓的。根據現場檢測結果，結合Midas/Civil有限元計算分析，按裂縫特征的不同對裂縫產生原因分別進行分析如下：

(1)箱外底板橫向裂縫。原結構復算表明，基于檢測結果的當前狀態主梁抗彎極限承載能力滿足要求，但中跨跨中附近梁體下緣正截面法向拉應力超限，進而導致相關腹板產生豎向裂縫和底板產生橫向裂縫。

(2)箱外腹板共發現46條裂縫，最大縫寬為0.26 mm，部分裂縫為修補后重新開裂，并有延伸開裂現象，其中20條斜向裂縫，主要位于每跨的L/4和3L/4位置。原結構計算結果表明，由于主橋腹板尺寸偏小、箱梁高度不足導致箱梁在墩頂附近抗剪能力不足或安全儲備較低，加上橋上重車較多、交通量大，在偏載作用下，容易引起腹板開裂，在各因素作用下出現裂縫是不可避免的。

(3)加厚截面腹板共發現26條豎向裂縫，根據加厚截面取芯樣以及荷載試驗結果，可知加厚截面上部協同受力較差，新舊混凝土收縮不同步等因素是引起加厚截面產生裂縫的主要原因。

(4)底板、頂板縱向裂縫，多與預應力管道分布位置重合。頂板縱向裂縫一般由于箱梁頂板寬度較大，橫向配筋不足引起，在日照作用下，即溫度梯度作用下易產生頂板縱向裂縫。對于短小的縱向裂縫是由于鋼筋混凝土保護層偏薄，及在縱向預應力作用下產生的橫向張力作用引起的。

(5)施工時箱梁內部溫度難以控制，混凝土產生的溫度效應也是產生橫向裂縫的重要原因。

2.2.3 體外預應力鋼束松弛

由于體外束未設置轉向塊和減振裝置，自由長度過長，在主橋運營期間高幅度震蕩下，鋼絞線容易產生疲勞、松弛，這是造成鋼絞線疲勞、松弛的主要原因。

3 舊橋的維修加固

3.1 壓力注膠外粘鋼板加固法

粘貼鋼板加固法，一般在橋梁結構的下部施工加固，幾乎不會改變原來結構的尺寸，并且能在短時間內完成對舊橋的加固工作。當箱梁受剪切、扭矩變形過大，在箱梁頂板底部、腹板處出現嚴重橫向裂縫時，采用環氧樹脂或建筑結構膠將鋼板這一抗拉強度高的材料粘貼在混凝土結構的受拉緣或者薄弱部位，使之與原結構物形成整體共同受力，從而改善原結構鋼筋及混凝土的應力狀態，達到提高構件的抗彎、抗剪能力，減少裂縫繼續發展的效果。

根據GB 50550《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》，當采用壓力注膠法粘貼鋼板時，應采用錨栓固定鋼板，固定時，應加設鋼墊片，使鋼板與原構件表面之間留有2 mm的暢通縫隙，以方便壓注膠液。固定鋼板的錨栓，應采用化學錨栓，不得采用膨脹錨栓。錨栓僅用于施工過程中固定鋼板。在任何情況下，均不得考慮錨栓參與膠層的受力。當采用直接涂膠粘貼的鋼板厚度不應大于5 mm；當厚度超過5 mm時，應采用壓漿機注膠粘結，且鋼板的寬厚比不應小于30。外貼鋼板的作業場地應該無粉塵，且不受日曬、雨淋和化學介質污染，其施工過程控制和施工質量檢驗，應符合現行國家標準GB 50205《鋼結構工程施工質量驗收規范》的規定。該工程頂板內箱室頂面粘貼鋼板，橫橋向規格為200 mm×6000 mm，間距200 mm。

3.2 體外預應力加固法

體外預應力加固法是以粗鋼筋、鋼絞線或高強度鋼絲等鋼材作為施力工具，運用預應力原理，通過張拉體外鋼筋，在梁體的受拉區施加壓力，以此來抵消或者減少由自重或者外荷載產生的拉應力，從而改善舊橋使用性能并提高其承載能力。大量工程實踐表明，體外預應力加固法加固所能達到的荷載等級與原橋設計標準有關，一般能將原橋承載能力提高30 %～40 %，并且人力投入少，施工工期短，經濟效益明顯。

圖4 預應力鋼束布置

4 加固后結構驗算與效果

4.1 空間梁單元模型

采用大型有限元計算分析軟件Midas/Civil。上部結構為42.5 m+2×65 m+42.5 m變截面預應力混凝土連續箱梁，中支點處梁高2.6 m，跨中及邊支點處梁高1.5 m，橋梁寬度15.75 m，主梁共72個單元(圖5)。

圖5 主橋連續箱梁模型

4.2 主要規范標準

(1)JTJ 021-89《公路橋涵設計通用規范》；

(2)JTJ 023-85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》；

(3)JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》。

4.3 計算荷載取值

第一至第三狀態均按原設計規范進行驗算，即主要依據JTJ 021-89《公路橋涵設計通用規范》和JTJ 023-85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》。

4.3.1 永久荷載

(1)結構重力：鋼筋混凝土26 kN/m3，鋼材78.5 kN/m3。

(2)一期重力：實際結構建立計算模型，由程序自動計算。

(3)二期重力：橋面鋪裝層+防撞護欄共計43.1 kN/m計入。

(4)混凝土收縮及徐變：按照JTJ 023-85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》取值。

4.3.2 可變荷載

(1)汽車荷載：汽車—超20級，掛車—120，橫向按三列車隊布置，橫向折減系數取值0.8，偏載系數取1.15。

(2)沖擊系數：根據JTJ 021-89《公路橋涵設計通用規范》第2.3.2條規定計算沖擊系數：L≤5 m時沖擊系數取0.30；L≥45 m時沖擊系數取0；5 m

4.4 主梁撓度驗算

圖6為活載(不計沖擊力)作用下主橋上部結構產生的下撓包絡線。

圖6 下撓包絡線

圖7為活載(不計沖擊力)作用下主橋上部結構產生的上撓包絡線。

圖7 上撓包絡線

5 結束語

本工程采用壓力注膠外粘鋼板加固法、體外預應力加固法對機荷高速平湖編組站預應力連續箱梁橋箱梁進行加固。箱內頂板采用采用環氧樹脂粘結劑粘接鋼板，使之與結構主體形成整體，并共同作用。該方法提高了箱梁橫向剛度，限制了裂縫的發展，改善了頂板混凝土的受力狀態，較大幅度的提高了橋梁的承載能力。由于機荷高速平湖編組站大橋下布滿鐵路，橋梁加固施工不能影響下部交通，故該橋還采用了體外預應力加固法加固，極大的減少了施工難度，節約了維修成本，壓縮了工期，使得廣深高速能夠快速恢復運營，經濟效果相當可觀。經計算分析，加固增加的荷載對結構受力影響較小，加固后主梁下緣混凝土拉應力不同程度減小，截面主拉應力也明顯減小，抗剪能力大幅度提高，粘貼的鋼板使結構剛度得到提高。該橋整體剛度提升，加固的效果明顯，對類似工程具有借鑒和指導作用。

[1] JTJ 021-89 公路橋涵設計通用規范[S].

[2] JTJ 023-85 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3] 張安喜.鋼筋混凝土梁橋的加固方法與承載力分析[D].貴州大學,2015.

[4] 李愛軍.新技術、新材料在現澆預應力連續箱梁橋加固中的應用[J].菏澤學院學報,2013(S1):142-144.

[5] 潘浩君.預應力連續箱梁橋加固設計方案及驗算分析[J].湖南城市學院學報：自然科學版,2015(3):16-19.

[6] 歐陽潮.預應力連續箱梁橋病害分析及加固方法研究[J].公路與汽運,2016(4):238-243.

[7] 梁志廣.某預應力連續箱梁橋的病害原因分析與處置[J].中國市政工程,2011(1):22-23, 81-82.

[8] 林源鋒.某預應力連續箱梁使用狀態評定及病害原因分析[J].鐵道建筑,2012(3):30-32.

[9] 陳兆毅.某預制小箱梁橋的病害分析與加固研究[D].大連理工大學,2008.

楊輝(1993～)，男，碩究生，研究方向為橋梁工程。

U445.7+2

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[定稿日期]2016-10-19