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(xù)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(xù)箱梁橋是近些年來發(fā)展較快、技術(shù)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(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，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(shù)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(shù)，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(jù)某橋歷年的質(zhì)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(jié)果表明加固后橋梁結(jié)構(gòu)各截面拉應力和主拉應力都不同程度地減小，結(jié)構(gòu)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(jù)及更好地指導施工。

變截面； 預應力； 連續(xù)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(guān)鍵作用。近年來，預應力連續(xù)箱梁橋由于具有行車平穩(wěn)舒適、跨越能力大的特點以及簡潔明快的造型，在國內(nèi)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(huán)境因素等的影響，結(jié)構(gòu)承載力和耐久性逐漸衰退，嚴重影響道路的正常通行。據(jù)統(tǒng)計，中國正在服役的眾多橋梁中，許多出現(xiàn)了不同程度的病害，滿足不了現(xiàn)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(xiàn)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(xù)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(zhèn)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為四跨三向預應力混凝土單箱單室變截面連續(xù)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(xiàn)狀

2.1 主要病害

(1)主跨跨中下?lián)?。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(shù)據(jù)整理分析可知，梁底實測相對標高與竣工圖最大下?lián)献畲鬄?12.5 mm。預應力混凝土梁橋跨中下?lián)鲜窃摲N橋型的通病，該撓度值則說明結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在安全隱患。

(2)箱梁內(nèi)外出現(xiàn)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(nèi)；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(xiàn)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(xiàn)象。

(4)體外預應力鋼束松弛。

(5)箱梁內(nèi)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?lián)?/p>

通過調(diào)查以及“2012年～2015年線形及裂縫寬度監(jiān)測結(jié)果”表明，跨中下?lián)蠎撌窃跇蛄航ǔ傻脑缙趲啄陜?nèi)出現(xiàn)的，近4年橋面線形比較穩(wěn)定，變化不大，未出現(xiàn)明顯繼續(xù)下?lián)犀F(xiàn)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(xiàn)下?lián)?，這是下?lián)线^大發(fā)生在橋梁建成早期的主要原因。

(2)混凝土收縮徐變系數(shù)與混凝土的配合比、施工環(huán)境及各種添加劑等因素均緊密相關(guān)，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(xù)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(xiàn)下?lián)稀?/p>

(3)該橋已投入使用近20a，主梁體內(nèi)預應力產(chǎn)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?lián)稀?/p>

2.2.2 箱梁裂縫

開裂成因很難歸結(jié)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(fā)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(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，結(jié)合Midas/Civil有限元計算分析，按裂縫特征的不同對裂縫產(chǎn)生原因分別進行分析如下：

(1)箱外底板橫向裂縫。原結(jié)構(gòu)復算表明，基于檢測結(jié)果的當前狀態(tài)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(guān)腹板產(chǎn)生豎向裂縫和底板產(chǎn)生橫向裂縫。

(2)箱外腹板共發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)計算結(jié)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(xiàn)裂縫是不可避免的。

(3)加厚截面腹板共發(fā)現(xiàn)26條豎向裂縫，根據(jù)加厚截面取芯樣以及荷載試驗結(jié)果，可知加厚截面上部協(xié)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的橫向張力作用引起的。

(5)施工時箱梁內(nèi)部溫度難以控制，混凝土產(chǎn)生的溫度效應也是產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的下部施工加固，幾乎不會改變原來結(jié)構(gòu)的尺寸，并且能在短時間內(nèi)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(xiàn)嚴重橫向裂縫時，采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板這一抗拉強度高的材料粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉緣或者薄弱部位，使之與原結(jié)構(gòu)物形成整體共同受力，從而改善原結(jié)構(gòu)鋼筋及混凝土的應力狀態(tài)，達到提高構(gòu)件的抗彎、抗剪能力，減少裂縫繼續(xù)發(fā)展的效果。

根據(jù)GB 50550《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗收規(guī)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(gòu)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(jié)，且鋼板的寬厚比不應小于30。外貼鋼板的作業(yè)場地應該無粉塵，且不受日曬、雨淋和化學介質(zhì)污染，其施工過程控制和施工質(zhì)量檢驗，應符合現(xiàn)行國家標準GB 50205《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》的規(guī)定。該工程頂板內(nèi)箱室頂面粘貼鋼板，橫橋向規(guī)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(qū)施加壓力，以此來抵消或者減少由自重或者外荷載產(chǎn)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(guān)，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(jīng)濟效益明顯。

圖4 預應力鋼束布置

4 加固后結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為42.5 m+2×65 m+42.5 m變截面預應力混凝土連續(xù)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(xù)箱梁模型

4.2 主要規(guī)范標準

(1)JTJ 021-89《公路橋涵設計通用規(guī)范》；

(2)JTJ 023-85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》；

(3)JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》。

4.3 計算荷載取值

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

4.3.1 永久荷載

(1)結(jié)構(gòu)重力：鋼筋混凝土26 kN/m3，鋼材78.5 kN/m3。

(2)一期重力：實際結(jié)構(gòu)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(guī)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(shù)取值0.8，偏載系數(shù)取1.15。

(2)沖擊系數(shù)：根據(jù)JTJ 021-89《公路橋涵設計通用規(guī)范》第2.3.2條規(guī)定計算沖擊系數(shù)：L≤5 m時沖擊系數(shù)取0.30；L≥45 m時沖擊系數(shù)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的下?lián)习j線。

圖6 下?lián)习j線

圖7為活載(不計沖擊力)作用下主橋上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的上撓包絡線。

圖7 上撓包絡線

5 結(jié)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(xù)箱梁橋箱梁進行加固。箱內(nèi)頂板采用采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑粘接鋼板，使之與結(jié)構(gòu)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(fā)展，改善了頂板混凝土的受力狀態(tài)，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(jié)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(jīng)濟效果相當可觀。經(jīng)計算分析，加固增加的荷載對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guī)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(guī)范[S].

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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