連續(xù)箱梁橋裂縫分析及加固方法研究

陶　曙

（鹽城市亭湖區(qū)公路管理養(yǎng)護處，江蘇 鹽城 224000）

連續(xù)箱梁橋裂縫分析及加固方法研究

陶曙

（鹽城市亭湖區(qū)公路管理養(yǎng)護處，江蘇 鹽城 224000）

以某大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋為例，對其腹板斜裂縫、頂板和底板縱向裂縫形成的原因進行深入分析。針對該橋的裂縫病害現(xiàn)狀，根據(jù)裂縫分析成果，提出了相應的加固方法，該橋的裂縫分析和加固方法可供同類橋梁工程項目參考。

連續(xù)箱梁橋；裂縫；橋梁加固；徑向力；偏差

由于設計、施工、運營、管養(yǎng)等諸多方面的原因，近年來很多大跨度連續(xù)剛構橋出現(xiàn)了各種不同程度的病害，主要表現(xiàn)為：梁體裂縫、跨中下?lián)虾湍途眯韵陆?。上部結構主梁梁體裂縫會使橋梁承載能力下降、剛度降低，從而影響橋梁的安全性能和正常使用性能。裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展也會加速混凝土的碳化和鋼筋銹蝕，使得主梁結構的耐久性趨于惡化，降低橋梁使用壽命。因此，對于大跨度連續(xù)剛構橋梁應進行定期的裂縫檢測，根據(jù)檢測結果進行結構狀態(tài)評定，并及時采取相應的處治措施［1-2］。

1　工程概況

某公路高架橋為5跨預應力混凝土連續(xù)剛構箱梁橋，跨徑布置為80 m+3×130 m+80 m，橋?qū)?2 m，為右幅橋。箱梁采用單箱室箱梁，主墩墩頂處梁高7.0 m，跨中梁高 2.5 m，其間按1.8次拋物線變化，采用三向預應力結構體系。箱梁的頂板和腹板為分段變截面。頂板厚度0.25 m，在墩頂范圍0.50 m；腹板在跨中81.4 m范圍內(nèi)為0.40 m，其余位置為0.6 m；底板厚度在跨中為0.25 m，墩頂根部為1.0 m，其間按1.8次拋物線變化。

采用掛籃懸臂施工，每個T墩單側懸澆梁段劃分為14個節(jié)段（0#~13#），合龍段寬2.0 m。

橋梁原來的設計荷載為汽車超—20，掛車—120。按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ023—85）進行設計。

2　裂縫病害概況

2012年、2013年經(jīng)過多次監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該橋上部結構箱梁裂縫逐漸增多、裂縫寬度和長度有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。裂縫病害情況主要表現(xiàn)為腹板存在大量斜裂縫，頂板和底板局部位置存在縱向裂縫。

該橋箱梁腹板內(nèi)側、外側均出現(xiàn)多條斜裂縫，裂縫分布特點如下：裂縫寬度在0.15~0.90 mm，長度在0.3~7 m；裂縫沿15°~45°方向分布；相較左側腹板，右側腹板裂縫病害情況更嚴重；裂縫主要分布在次邊跨和中跨的L/4至跨中處，如圖1所示。

圖1　箱梁腹板斜裂縫分布示意

該橋箱梁頂板出現(xiàn)多條縱向裂縫，裂縫分布特點如下：裂縫寬度在0.1~0.2 mm，長度在0.7~1.0 m；橋面過車時裂縫寬度增大，過車后裂縫恢復；裂縫分布位置無明顯規(guī)律，如圖2所示。

圖2　箱梁頂板縱向裂縫分布示意

該橋箱梁底板局部位置出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫分布特點如下：裂縫寬度在0.6~4.0 mm，長度在2.0~7.0 m；裂縫主要分布在次邊跨和中跨的跨中處，如圖3所示。

圖3　箱梁底板縱向裂縫分布示意

3　裂縫成因分析

3.1腹板斜裂縫［3］

根據(jù)腹板斜裂縫的病害特征可以認定該橋腹板斜裂縫主要是由腹板主拉應力超限引起的結構受力裂縫。結合該橋的實際情況，主拉應力超限的主要原因有如下幾個方面：

（1）豎向預應力發(fā)揮不充分

根據(jù)類似橋型的檢測經(jīng)驗，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ 023—85，以下簡稱舊規(guī)范）設計的大跨徑預應力箱梁截面連續(xù)梁和連續(xù)剛構中出現(xiàn)不少有規(guī)律的斜裂縫。按舊規(guī)范的設計實踐中，較普遍地取消彎起束，而用縱向預應力和豎向預應力來克服主拉應力。這樣做施工方便，還可以減薄腹板的厚度，節(jié)省材料。豎向預應力筋在設計中對克服主拉應力起到很大作用。但由于施工技術水平參差不齊、施工控制不嚴等原因，實際情況和設計預想情況并不吻合，豎向預應力鋼筋一般施工質(zhì)量不理想，甚至有不張拉，預應力徹底失效的情況，這些豎向預應力鋼筋往往不能充分發(fā)揮作用。考慮到這些情況，《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62—2004，以下簡稱新規(guī)范）在計算豎向預應力鋼筋引起的豎向壓應力時，在舊規(guī)范的公式基礎上乘以0.6的折減系數(shù)。

該橋設計時按舊規(guī)范設計。腹板裂縫主要分布在邊跨支點（8#~13#塊）及中跨的跨中范圍（6#~14#塊），該區(qū)域內(nèi)沒有預應力筋的下彎束，抗剪主要依靠豎向預應力筋和箍筋，豎向預應力采用精軋螺紋鋼筋，有效預應力較小，而且腹板中豎向預應力筋的長度較短，引伸量小，預應力張拉只能采用單控方式，采用一般的千斤頂張拉力難以控制，預應力損失較大，當施工稍有不慎時，鋼束的預應力就有可能損失殆盡?；炷灵_裂后，豎向預應力鋼筋可能發(fā)生銹蝕，從而導致截面抗力進一步降低，裂縫進一步擴展。

利用有限元分析時，根據(jù)豎向預應力作用的發(fā)揮程度，考慮3種模型。①模型1：考慮全部豎向預應力作用；②模型2：考慮60%的豎向預應力作用；③模型3：豎向預應力全部失效，不考慮豎向預應力。由表1可知，不考慮豎向預應力和考慮全部豎向預應力相比時，最大主拉應力增大了1.5 MPa。3種模型最大主拉應力驗算結果如表1所示。

表1　最大主拉應力驗算表 MPa

（2）設計和施工偏差

按照規(guī)范，橋梁設計中通常僅從縱向和豎向二維來分析主拉應力，沒有充分考慮橫向的影響。實際上，大跨徑連續(xù)剛構橋梁腹板處于三向受力狀態(tài)，不考慮橫向應力的影響，必然使計算的主拉應力值偏小。此外，由于過于依靠豎向預應力，導致腹板設計偏薄，混凝土澆筑質(zhì)量不能保證；配置的箍筋偏少，也不能有效限制裂縫寬度。

和新規(guī)范相比，舊規(guī)范對于箱梁的溫度效應估計不足，從而導致原設計得到的主拉應力偏小。舊規(guī)范的溫差效應按箱室內(nèi)外溫差5 ℃考慮，而新規(guī)范采用梯度溫度的折線溫差計算模式。溫度效應是新、舊規(guī)范在應力計算方面的一個顯著差別。

（3）運營管理

超載是公路交通中普遍存在的問題，近年來重載車輛逐年增多，當汽車荷載超載時活載產(chǎn)生的應力也會相應增加。根據(jù)車輛行駛規(guī)則，一般重車沿右側行駛，荷載超限造成右側腹板主拉應力較大，右側腹板開裂嚴重。

3.2頂板縱向裂縫成因分析

（1）設計和施工偏差

該橋頂板厚度只有25 cm，頂板上預留縱向預應力管道，很難達到壓漿完全飽滿，較薄的頂板布置較多的預應力孔道嚴重削弱了頂板的有效面積，容易在比較薄弱的截面出現(xiàn)縱向裂縫。由于頂板較薄，橫向預應力管道距頂板頂面僅6.5 cm，施工時管道定位稍有偏位，造成保護層厚度較薄，混凝土振搗不當，混凝土收縮也會造成頂板局部出現(xiàn)縱向裂縫。

舊規(guī)范在橋面板的溫度效應上考慮不足，也是引起頂板縱向裂縫的原因之一。

此外，該橋頂面只有一層混凝土鋪裝，橋面鋪裝開裂較為嚴重，頂板防水層破壞后，雨水順著鋪裝層裂縫進入頂板內(nèi)，進一步降低了頂板混凝土的耐久性，加速裂縫的發(fā)展。

（2）運營管理

該橋按汽車超—20荷載等級設計，實際運營中超載現(xiàn)象較為普遍，重車車輪荷載的直接作用是造成頂板裂縫的直接原因。

3.3底板縱向裂縫成因分析

在大跨度變截面箱梁中，底板曲線預應力鋼束產(chǎn)生的徑向力（尤其是當?shù)装孱A應力束布置在底板橫向跨中時）、底板自重作用及支座對腹板產(chǎn)生的偏心集中力等都會在底板產(chǎn)生橫向拉應力，且底板未設置橫向預應力束，在各種效應組合下，容易引起底板縱向裂縫。舊規(guī)范對這個問題認識不足，按舊規(guī)范設計，底板產(chǎn)生縱向裂縫的風險較大。底板曲線鋼束徑向力示意圖如圖4所示。

圖4　底板曲線鋼束徑向力示意圖

曲線預應力鋼束的徑向力可由下式表示：

式中：q（x）為徑向力；Npe為鋼束有效張拉力；R為曲線預應力鋼束的彎曲半徑。

該橋130 m主跨的合龍段縱向預應力筋比較密，且所有的底板束都通過合龍段，且該處彎曲半徑最小，預應力鋼束橫向間距較小，底板預應力鋼束管道最小間距僅為6 cm，底板厚度較小僅25 cm，而波紋管中心距底板底緣的距離為11 cm，底板預應力束采用一次張拉錨固時，較大的徑向力導致底板開裂。

此外，該橋底板僅間隔60 cm設置一道勾筋，未設置曲線預應力鋼束的防崩鋼筋在徑向力作用下，也無法有效限制底板縱向裂縫的發(fā)展。

根據(jù)分析驗算成果，箱梁底板不能滿足規(guī)范要求，裂縫寬度超出限值。

4　加固方法研究

大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構箱梁橋的加固方法主要有：體外預應力加固法、增大截面法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維布法、裂縫封閉、橋面減載、更換鋪裝等方法。橋梁加固時應對病害原因進行分析后，辯證施治，采取合理有效的加固方法［4-6］。

4.1總體加固方案

針對該橋的實際情況，為改善結構的整體受力性能，減小腹板主拉應力，提高上部結構箱梁承載能力，總體上擬采用體外預應力加固的設計方案，體外預應力布置如圖5所示。

圖5　體外預應力加固方案

各跨均采用8束15.24-15的預應力鋼束，配合相應的張拉、錨固錨具，張拉控制應力為1 209 MPa。體外預應力束采用沿箱梁底板和頂板分散布置的方案，利用墩頂橫隔梁張拉錨固。邊跨體外束采用墩頂一端張拉的方式，次邊跨及中跨的體外束采用兩端張拉的方式。轉向裝置采用后加轉向橫梁的形式，其它位置則在頂、底板設減震器。轉向橫梁采用鋼筋混凝土結構。墩頂處體外預應力筋交叉錨固。由于錨塊受力較大，需將兩個墩頂橫梁之間的部分用混凝土將兩個橫梁連接在一起，使兩個錨塊連成一個整體共同受力。

4.2腹板加固

對于腹板斜裂縫，采用了增加腹板厚度的加固方法。將各跨6#~12#塊的腹板厚度由原來的40 cm增厚至60 cm，如圖6所示。

圖6　腹板加固措施示意圖

對出現(xiàn)嚴重斜裂縫的梁段，首先進行灌縫處理，然后再在原腹板、頂板、底板植筋，布設腹板箍筋，最后澆筑加厚混凝土。加厚混凝土采用細骨料混凝土，強度等級為C50；箍筋采用HRB400鋼筋，直徑16 mm，縱向間距15 cm。

增加腹板厚度可以有效地解決腹板抗剪尺寸偏小的問題，增加的腹板抗剪鋼筋可顯著降低腹板的主拉應力水平，加固效果明顯。且該方法對箱梁頂板、底板的影響較小，施工方便、簡單，費用較低，工期短。

4.3頂板加固

對于頂板縱向裂縫，采用重做橋面混凝土鋪裝的加固方法。拆除原有鋪裝，現(xiàn)澆10 cm厚的混凝土鋪裝層，涂抹防水層，然后鋪設5 cm厚的瀝青混凝土作為面層，如圖7所示。

圖7　頂板加固措施示意圖

拆除原有橋面鋪裝后，首先用結構膠封閉箱梁頂板裂縫，箱梁頂面植入直徑12 mm的鋼筋，現(xiàn)澆10 cm厚的混凝土鋪裝層，使箱梁頂板和鋪裝混凝土組成疊合梁共同受力。防水層的防水涂料統(tǒng)一采用PB（II）聚合物改性瀝青，材料性能應符合現(xiàn)行行業(yè)標準《道橋用防水涂料》JC/T975的要求。最后鋪設5 cm厚的細粒瀝青混凝土作為面層。

新做的橋面鋪裝和箱梁頂板組成疊合梁，有效地解決了頂板偏薄的問題，增加了頂板抗彎能力；兩層鋪裝之間施做防水層，可有效解決頂板滲水問題，同時瀝青鋪裝也可有效降低汽車的沖擊效應，提高結構的耐久性。

4.4底板加固

對于底板縱向裂縫，采用橫向張拉預應力碳纖維板的加固方法，如圖8所示。

圖8　底板加固措施示意圖

首先用結構膠對底板裂縫進行灌漿，然后采用橫向張拉預應力碳纖維板的形式，提高其橫向連接剛度。預應力碳纖維板型號為CFP100-20，寬度為100 mm，厚度為2.0 mm，縱向間距50 cm，公稱頂壓力為160 kN，共27束。

該方法屬于主動加固，通過橫向預應力可使原裂縫全部或部分閉合，能提高結構的整體剛度和耐久性，并能限制裂縫的進一步發(fā)展。該方法幾乎不增加結構恒載，有良好的耐久性，施工工藝簡單，但在底板下緣施工，操作不便，可采用檢測車或梁頂懸掛吊籃進行施工。

5　結論

通過該橋的裂縫分析和加固設計，得出以下幾點結論：

（1）對于大跨度連續(xù)剛構橋梁，應在設計中不斷完善箱梁設計理論，正確考慮到箱梁偏載、超載、溫度效應、剪力滯效應的影響，設計時應留有足夠的安全儲備。橋梁設計要采用全壽命的設計理念，重視結構的耐久性設計。

（2）施工時應注意預應力鋼束管道定位準確，混凝土振搗充分，養(yǎng)護到位。施工嚴格執(zhí)行設計圖紙的要求是橋梁結構耐久性的重要保證。

（3）運營管理中要嚴格控制超載車輛。對于已建橋梁要定期檢測，爭取做到“有問題早發(fā)現(xiàn)”，對裂縫應進行成因分析，及時開展針對性的維修或加固。

（4）橋梁加固應該首先對病害原因進行詳細分析，辯證施治，對癥下藥，才能形成經(jīng)濟合理的橋梁加固設計方案。

［1］陳付雷.橋梁加固設計關鍵技術研究［D］.西安：長安大學，2011.

［2］杜斌，趙人達.大跨預應力混凝土連續(xù)剛構橋箱梁裂縫成因分析及防治對策［J］.四川建筑科學研究，2010，3：77-81.［3］曾曉茜.PC連續(xù)剛構橋病害檢測及裂縫成因分析［D］.成都：西南交通大學，2012.

［4］楊春林. 一座主跨140 m連續(xù)剛構橋的加固［J］.中南公路工程，2009（4）：73-76.

［5］李興林，廖成強.160 m跨預應力混凝土連續(xù)剛構箱梁加固設［J］. 鐵道工程學報，2008，4：42-46.

［6］范慶杰.大跨預應力混凝土連續(xù)剛構箱梁底板縱向裂縫開裂機理與防治措施分析研究［D］.西安：長安大學，2010.

Crack Analysis and Reinforce Strategy of Continuous Box Girder Bridge

Tao Shu
（Highway Maintenance Management Department in Tinghu District, Yancheng 224000, China）

Taking a long-span prestressed concrete continuous rigid frame bridge as an example, the causes of crack on top, bottom and web of girder were discussed in detail. In view of the status of crack disease, relevant reinforce strategy was put forward according to fracture cause. The research conclusion had significant reference for detection and reinforcement of the same type bridge.

continuous box girder bridge; crack bridge; reinforcement; radial force; deviation

U445.72

B

1672-9889（2015）04-0053-04

陶曙（1975-），男，江蘇鹽城人，工程師，主要從事橋梁養(yǎng)護研究和管理工作。

（2014-09-30）