預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋維修加固與監(jiān)控

程 輝，周新亞，龔永紅，周 浩

（1.中鐵大橋局集團武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034；2.中鐵四局集團有限公司,安徽 合肥 230023；3.中鐵四局集團第二工程公司，江蘇 蘇州215131）

1 工程概況

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋由于具有剛度大、整體性好、施工簡便快捷、相對造價低等優(yōu)點，在工程中得到廣泛應(yīng)用，尤其應(yīng)用于跨度小于50 m的中、小跨度橋梁。普通橋梁高跨比一般為1∶15，預(yù)應(yīng)力橋梁可減小至1∶20甚至更低，在一定程度上降低了連續(xù)梁橋的工程造價，使橋梁朝著更纖細(xì)的方向發(fā)展，保持了橋梁的美觀。然而，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，部分地區(qū)交通流量超過設(shè)計預(yù)期，且車輛超載、超限現(xiàn)象普遍，加上橋梁受溫度變化、混凝土收縮徐變、支座不均勻沉降、預(yù)應(yīng)力損失和施工措施不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，致使部分橋梁出現(xiàn)裂縫或線形下?lián)系炔『ΓY(jié)構(gòu)安全儲備降低，影響了橋梁承載能力和使用壽命，使橋梁出現(xiàn)重大的安全隱患［1-3］。

某高速公路立交樞紐工程跨度為（38+2×50+38）m，設(shè)計荷載等級為汽-超20，掛-120。箱梁結(jié)構(gòu)為單箱雙室 （見圖1），底板寬7.6 m，頂板寬11.8 m，兩側(cè)翼緣懸臂長2.1 m，梁高2.5 m，頂板厚20 cm，底板厚20~60 cm，腹板厚 40~55 cm。經(jīng)過多年的運營，該橋病害非常嚴(yán)重，梁體裂縫不斷發(fā)展及新增，梁體的受力狀況不斷惡化。主要病害如下：（1）該橋箱梁跨中區(qū)段底板存在橫橋向裂縫193 條，分布在各跨跨中，大部分裂縫延伸至底板，并沿著底板發(fā)展至翼緣呈U 形裂縫，裂縫寬度0.25~0.38 mm，裂縫長度為11.6m；（2）縱向裂縫68條，分布在第4跨底板邊緣，最長30.5 m，裂縫寬度0.2 mm；（3）腹板存在豎向裂縫149條，大部分位于底板向上延伸的裂縫，沿橋跨方向無規(guī)律分布，裂縫最長11.6 m，寬度為0.15~0.5 mm，箱室內(nèi)部跨中附近，邊腹板和中腹板內(nèi)側(cè)有大量豎向及斜向裂縫，裂縫寬度最大為0.3 mm；（4）部分預(yù)應(yīng)力管道未灌漿。

圖1 橋梁體外預(yù)應(yīng)力束布置圖（單位：cm）

2 加固方案

對病害原因進(jìn)行分析認(rèn)為預(yù)應(yīng)力損失是橋梁病害發(fā)生的主要原因。加固方案主要從既有病害處理、增加預(yù)應(yīng)力束等方面進(jìn)行處理，主要加固方案如下：

（1）對箱梁各跨存在的裂縫、混凝土破損、空洞、鋼筋外露銹蝕、大面積修補、預(yù)應(yīng)力管道未注漿等病害按常規(guī)措施進(jìn)行處理。

（2）在箱梁端橫梁、頂板相應(yīng)位置開槽、植筋、澆筑錨固塊，在底板相應(yīng)位置開孔并安裝轉(zhuǎn)向裝置，在底板下緣布設(shè)8 束15Φs15.2 的體外預(yù)應(yīng)力鋼束加固，見圖2、3。在箱梁底板縱向粘貼30 cm 寬、8 mm厚鋼板條加固。

（3）在箱梁腹板外植筋加厚腹板，端部錨固區(qū)域加厚50 cm，跨中加厚20 cm，并在腹板加厚層內(nèi)增設(shè)4 束15Φs15.2 鋼束。

（4）鑿除原橋面鋪裝，在箱梁頂種植剪力鋼筋，重新澆筑橋面補強層和3 cm 厚SMA-10薄層瀝青混凝土。

圖2 支座斷面預(yù)應(yīng)力束布置圖（單位：cm）

圖3 端部斷面預(yù)應(yīng)力束布置圖（單位：cm）

3 加固監(jiān)測重難點分析

本橋加固過程中牽涉到橋梁上部結(jié)構(gòu)箱梁及橋面的重大改造及維修，為使加固結(jié)果能達(dá)到設(shè)計成橋狀態(tài)，并保證在加固過程中的橋梁安全，避免加固過程中出現(xiàn)二次病害，在加固實施過程中對橋梁進(jìn)行加固監(jiān)測，加固監(jiān)測采用連續(xù)化監(jiān)測策略，加固過程中的監(jiān)測重難點如下：

（1）新舊混凝土協(xié)同工作監(jiān)測：由于施工中混凝土存在新舊混凝土加載齡期差異大，材料收縮、徐變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形有較大的影響，需要對新舊混凝土的協(xié)調(diào)共同工作進(jìn)行監(jiān)測。

（2）應(yīng)力與撓度監(jiān)測。體外預(yù)應(yīng)力張拉過程中對箱梁主要斷面應(yīng)力及撓度進(jìn)行監(jiān)測。

（3）裂縫寬度監(jiān)測。加固過程中，既有裂縫寬度擴展及深度擴展是本項目的控制性指標(biāo)，保證在加固過程中既有病害不擴展，并盡量保證不產(chǎn)生新的病害。

4 加固過程監(jiān)測

4.1 測點布置

橋梁應(yīng)力及撓度監(jiān)控是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁加固過程2個重要監(jiān)測指標(biāo)，圖4為箱梁撓度應(yīng)力監(jiān)測測點斷面布置圖。撓度測點布置在橋面混凝土護(hù)欄內(nèi)側(cè)，應(yīng)力測點主要布置在箱梁底板及箱梁內(nèi)頂板，并將撓度及應(yīng)力測點布置在同一斷面。

圖4 監(jiān)測測點布置圖（單位：cm）

4.2 應(yīng)力監(jiān)測與分析

加固方案（1）、（2）流程中應(yīng)力變化小，（3）、（4）流程中應(yīng)力變化客觀。預(yù)應(yīng)力張拉過程中，邊跨跨中底板應(yīng)力值見圖5，中跨跨中頂、底板應(yīng)力值見圖6。圖5顯示在預(yù)應(yīng)力束張拉過程中，第1、4跨實測的壓應(yīng)力為5.6 MPa、6.3 MPa，較理論值7.5 MPa小，接近達(dá)到張拉效果；圖6顯示在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，中跨頂部實測應(yīng)力值分別為-0.73 MPa、-1.6 MPa，頂板壓應(yīng)力理論值為-1.37 MPa，底板實測應(yīng)力值分別為-4.9 MPa、-4.12 MPa，底板理論值為-3.56 MPa，達(dá)到張拉效果。

本橋二恒施工采用逐跨澆筑混凝土的方案，澆筑順序為從第1跨至第4跨，澆筑速度為10 m/h，每跨澆筑時間分別為3.8 h、5 h、5 h、3.8 h，而混凝土初凝時間大約為6 h，當(dāng)橋面鋪裝層施工至第4跨時，第1、2跨橋面鋪裝層混凝土完成初凝，橋面鋪裝層與箱梁形成整體剛度，共同受力。因此橋面二恒既是荷載，也是橋梁結(jié)構(gòu)剛度。

橋面二恒施工過程中理論與實測應(yīng)力值見表1，其中理論分析將二恒視作荷載，不考慮其對橋梁剛度的貢獻(xiàn)，中跨及邊跨頂?shù)装謇碚搼?yīng)力值分別相等。而表1顯示橋面二恒施工過程中，第1跨底板拉應(yīng)力為1.05 MPa，第4跨底板拉應(yīng)力為0.77 MPa，說明在第4跨二恒施工過程中，第1、2、3跨橋面二恒與箱梁形成整體剛度，使第4跨底板拉應(yīng)力減小。

綜合整體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，中跨跨中底板最終新增壓應(yīng)力儲備為3.3 MPa，邊跨底板最終新增壓應(yīng)力儲備為4.05 MPa。

圖5 預(yù)應(yīng)力張拉過程中邊跨應(yīng)力圖

圖6 預(yù)應(yīng)力張拉過程中主跨應(yīng)力圖

表1 橋面二恒施工應(yīng)力表

4.3 撓度監(jiān)測及分析

預(yù)應(yīng)力張拉過程中橋梁撓度圖見圖7，其中N1、N2預(yù)應(yīng)力束同步張拉，N3~N7預(yù)應(yīng)力束同步張拉。圖7顯示N1、N2預(yù)應(yīng)力束同步張拉過程中，第1、4跨跨中撓度實測分別為5.7 mm、3.1 mm，理論值為3.6 mm；第2、3跨跨中撓度實測值為3.9 mm、6.1 mm，理論值分別為2.9 mm；預(yù)應(yīng)力束N3~N7同步張拉過程中，第1、4跨跨中撓度實測分別為5.7 mm、3.1 mm，理論值為5.6 mm；第2、3跨跨中撓度實測值為6.1 mm、6.1 mm，理論值為3.5 mm。

橋面二恒施工過程中的橋梁撓度見表2。表2顯示橋面二恒施工過程中，第1跨跨中左右兩側(cè)分別下?lián)?.7 mm、1.9 mm，第2跨跨中下?lián)洗蠹s8.9 mm，第3跨跨中下?lián)洗蠹s8.1mm，第4跨跨中下?lián)洗蠹s1.3 mm。監(jiān)測結(jié)果最終顯示中跨跨中線形上拱約4 mm。

圖7 N1-N7體外束預(yù)應(yīng)力張拉撓度圖

表2 橋面二恒施工過程撓度表

4.4 裂縫監(jiān)測

體外索張拉過程中，裂縫監(jiān)測顯示既有裂縫寬度明顯減小，對橋梁性能改善明顯，梁體剛度得到提高。

5 荷載試驗

加固前、后均對橋梁進(jìn)行了靜力試驗，試驗結(jié)果見表3。表3顯示加固前第1跨跨中的撓度校驗系系數(shù)最大達(dá)到1.48，加固后減小為0.95，在規(guī)范值允許范圍內(nèi)，殘余率為0.1；加固前第1跨跨中的應(yīng)力校驗系數(shù)大于0.9，加固后為0.95，在規(guī)范值允許范圍內(nèi)。加固前第2跨跨中的撓度校驗系數(shù)最大為1.48，加固后為0.95，在規(guī)范值允許范圍內(nèi)，殘余率為0.1；加固前第2跨跨中的應(yīng)力校驗系數(shù)最大為4.2，加固后為0.95，在規(guī)范值允許范圍內(nèi)。

靜力試驗顯示，加固后橋梁剛度及強度均滿足橋梁規(guī)范要求。

表3 荷載試驗結(jié)論表

6 結(jié)論

通過橋梁加固中的連續(xù)監(jiān)測及分析，總結(jié)如下：

（1）體外預(yù)應(yīng)力束提高了箱梁關(guān)鍵部位的壓應(yīng)力儲備，對后續(xù)橋梁運營安全有利；

（2）體外預(yù)應(yīng)力束能有效地抑制橋梁裂縫擴展，使結(jié)構(gòu)原有裂縫閉合，可有效提供橋梁剛度及承載能力；

（3）通過體外預(yù)應(yīng)力張拉過程中實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對分析，體外束張拉后各項性能指標(biāo)達(dá)到維修加固設(shè)計要求。

（4）連續(xù)箱梁橋通過施加體外預(yù)應(yīng)力，并結(jié)合維修補強措施，恢復(fù)了原設(shè)計正常使用承載能力，通過對通車運營后橋梁的觀測，橋梁未出現(xiàn)新的病害，原有裂縫也未見擴展，達(dá)到了橋梁加固的目的。

［1］丁峰，巍華，徐棟，等.體外預(yù)應(yīng)力砼橋梁錨固結(jié)構(gòu)分析及配筋研究［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2005，2（1）：36-41.

［2］程輝.軌道交通橋梁運營期橋面線形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究［J］.橋梁建設(shè)，2011，8（6）：32-37.

［3］徐澤敏.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的加固設(shè)計與施工監(jiān)測［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2015，12（1）：36-41.