預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋計(jì)算及維修加固

曾利強(qiáng)

（惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院，廣東 惠州 516001）

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋計(jì)算及維修加固

曾利強(qiáng)

（惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院，廣東 惠州 516001）

針對(duì)（30+40+30）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)受力情況及病害進(jìn)行分析,提出預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的維修加固方案。經(jīng)采取對(duì)裂縫封閉、灌注處理、粘貼鋼板加固補(bǔ)強(qiáng)、張拉預(yù)應(yīng)力束加固等技術(shù)措施后,橋梁整體受力性能得到顯著提高。

連續(xù)箱梁；橋梁病害；維修加固

1 工程概況

大亞灣白壽灣大橋（原惠澳大道淡澳河大橋）橋梁跨徑布置：5×20 m T梁+（30+40+30）m連續(xù)箱梁+5×20 m T梁，橋梁全寬28 m,按雙向六車道設(shè)計(jì)，兩側(cè)各設(shè)0.5m防撞墻及1.0 m人行道（或檢修道），中央設(shè)防撞分隔欄桿。主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨等截面直腹式單箱三室預(yù)應(yīng)力箱梁，為左右分離式雙幅橋，梁高1.6 m。橋梁位于R=12 174 m豎曲線上，橋中心標(biāo)高為10.98 m。橋面橫坡為1.5%，由橋墩蓋梁1.5%的坡形成，T梁橋面鋪裝層及箱梁在橫向均等厚,水泥混凝土橋面鋪裝。該橋設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)，掛車-120級(jí)，于2000年建成通車。

2 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算及病害分析

大亞灣白壽灣大橋在2013年委托有資質(zhì)的公路工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行全面檢測(cè)及靜載試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果顯示該預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁底板和腹板存在多處的脹裂、收縮裂縫及網(wǎng)裂等裂縫。箱梁底板多處存在橫向裂縫，裂縫寬度0.1 mm左右，腹板局部存在豎向開(kāi)裂。此外，該橋橋面磨耗嚴(yán)重，粗骨料外露，橋面存在較多的橫向和縱向裂縫，部分裂縫貫通，最大寬度為2 mm,橋面鋪裝存在大面積的網(wǎng)裂和龜裂現(xiàn)象，最大裂縫寬度達(dá)2.3 mm。

下面采用平面桿系計(jì)算軟件“橋梁博士”對(duì)主橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，模型如圖1所示。全橋共劃分64個(gè)單元，65個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算采用kN·m制，應(yīng)力單位為MPa。

圖1 （30+40+30）m連續(xù)箱梁分析模型

該橋在維修加固前通過(guò)“橋梁博士”計(jì)算在承載能力極限狀態(tài)最不利荷載組合下主跨連續(xù)箱梁彎矩包絡(luò)圖如圖2和圖3所示。

圖2 加固前箱梁承載能力正彎矩及抗力包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖3 加固前箱梁承載能力負(fù)彎矩及抗力包絡(luò)圖（單位：kN·m）

由圖2可以看出，邊跨的正彎矩承載能力安全儲(chǔ)備較大，中跨正彎矩承載能力安全儲(chǔ)備較小。因此，箱梁底板多處橫向裂縫應(yīng)該屬于非結(jié)構(gòu)性開(kāi)裂，這些病害是主橋梁體施工工藝較差、混凝土保護(hù)層厚度不足、養(yǎng)生不到位等原因造成的。

由圖3可以看出，連續(xù)箱梁現(xiàn)狀及加鋪橋面鋪裝改造后的支點(diǎn)負(fù)彎矩承載能力略為不足，考慮到長(zhǎng)久使用安全問(wèn)題，需對(duì)箱梁開(kāi)裂處進(jìn)行封閉或灌注處理后，對(duì)連續(xù)箱梁中跨的底板進(jìn)行加固處理，對(duì)連續(xù)箱梁中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行加固處理。

3 維修加固措施施工工藝

針對(duì)大橋主跨的病害現(xiàn)狀，經(jīng)過(guò)方案比選和詳細(xì)分析論證，決定采取封閉、灌注主跨箱梁所有裂縫后，采用粘貼鋼板加固法對(duì)主跨連續(xù)箱梁中跨底板進(jìn)行加固處理，采用張拉預(yù)應(yīng)力束加固法對(duì)中支點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加固處理，最后橋面加鋪2 cm厚的NovaChip超薄磨耗層，以提高箱梁的整體承載能力和行車安全性和舒適性。

3.1 裂縫處理[1]

3.1.1 封閉裂縫施工工藝

對(duì)于裂縫寬度f(wàn)w＜0.15 mm的細(xì)小裂縫，通常采用涂刷環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封縫處理。裂縫封閉施工工藝如下：

（1）表面處理：清除混凝土裂縫周邊油漬、灰塵等雜物，測(cè)量和記錄裂縫的寬度。

（2）封閉裂縫：根據(jù)封縫膠配合比，配制好封縫膠，配制時(shí)將封縫膠顏色調(diào)到與原混凝土相似，垂直裂縫方向涂刷第一道。前一道干后再涂刷第二道，涂刷方向與第一次互相垂直。

3.1.2 灌注裂縫施工工藝

對(duì)于裂縫寬度f(wàn)w≥0.15 mm的裂縫，通常采用環(huán)氧樹脂膠或其他灌縫材料進(jìn)行壓力灌漿法灌注裂縫。裂縫灌注施工工藝如下：

（1）表面處理：清除混凝土裂縫周邊油漬、灰塵等雜物，測(cè)量和記錄裂縫的寬度。

（2）確定注漿咀位置：裂縫寬度在0.15～1 mm時(shí)注漿嘴間距取15～35 cm，根據(jù)裂縫寬度越小注漿嘴間距越小的原則，每處裂縫設(shè)置不少于2個(gè)注漿嘴。

（3）封閉裂縫：根據(jù)封縫膠配合比，配制好封縫膠，用刷子涂刷在裂縫上，封閉裂縫，遇到貫通的裂縫時(shí)，應(yīng)同時(shí)對(duì)兩端進(jìn)行封閉。

（4）灌注裂縫：根據(jù)配合比配制灌縫用漿,按從下至上的灌漿順序進(jìn)行灌縫。

（5）表面清理：全部裂縫灌注完成后，24 h后除去表面注漿嘴及封縫膠，全面清理裂縫表面。

3.2 粘貼鋼板

根據(jù)舊橋結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，連續(xù)箱梁邊跨的正彎矩承載能力安全儲(chǔ)備較大，但中跨正彎矩承載能力安全儲(chǔ)備較小?？紤]到長(zhǎng)久使用安全問(wèn)題，需對(duì)箱梁開(kāi)裂處進(jìn)行封閉或灌注處理后，對(duì)連續(xù)箱梁中跨的底板進(jìn)行粘貼鋼板（規(guī)格為30 200 mm× 250 mm×8 mm）加固處理，該加固技術(shù)主要適用于加固受拉、受彎或受剪結(jié)構(gòu)。

3.2.1 施工步驟

混凝土放線定位及表面處理→鋼板加工→鋼板表面除銹和糙化處理→鉆孔植埋螺栓→安裝鋼板→配制結(jié)構(gòu)膠→封邊→灌膠→施工質(zhì)量檢驗(yàn)→鋼板表面防腐處理。

施工時(shí)，粘貼位置混凝土表層含水率不宜大于4%,并保證鋼板與混凝土表面的間隙在3～5 mm，以確保灌注膠層的厚度不小于3 mm；焊接鋼板接縫前必須先在地面焊接好，不得隨意截?cái)嗖⒋_保接縫錯(cuò)位3.5 m和同一接縫位置不得超過(guò)50%。

3.2.2 施工質(zhì)量驗(yàn)收

一般用小錘錘擊或其他有效探測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，按檢測(cè)結(jié)果計(jì)算的有效粘貼面積不應(yīng)小于設(shè)計(jì)粘貼面積的95%。

當(dāng)采取錘擊法檢測(cè)時(shí)，先將粘貼好的鋼板分區(qū)，然后逐區(qū)檢測(cè)空洞面積。若單個(gè)空洞面積小于或等于10 000 mm2，建議采取鉆孔注射法充膠修復(fù)；若無(wú)法鉆孔，或者單個(gè)空洞面積大于10 000 mm2，則應(yīng)重新粘貼，直到符合要求為止。

3.2.3 鋼板表面防腐處理

粘貼的鋼板經(jīng)檢測(cè)符合要求后，去除所有注漿嘴和排氣管,清理鋼板表面污垢和銹斑后對(duì)外露鋼板和錨固螺栓進(jìn)行罩面防腐涂裝處理，涂裝方案如下：

（1）底涂層采用環(huán)氧富鋅底漆兩道，厚度不小于80 μm。

（2）中間涂層采用厚漿型環(huán)氧云鐵中間漆兩道，厚度不小于100 μm。

（3）表面采用丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆兩道，總厚度不小于80 μm。

3.3 張拉預(yù)應(yīng)力束加固[2]

根據(jù)舊橋結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，中支點(diǎn)截面（負(fù)彎矩區(qū)）的極限抗彎承載能力略為不足，考慮到長(zhǎng)久使用安全問(wèn)題，箱梁中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)采用增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。采用預(yù)應(yīng)力筋加固方案時(shí)，受箱梁可加固施工的部位限制，預(yù)應(yīng)力筋宜采用多束型號(hào)，結(jié)合舊橋結(jié)構(gòu)計(jì)算的應(yīng)力指標(biāo)特點(diǎn)及確保加固方案的安全可靠性，預(yù)應(yīng)力筋采用低張拉方案（即張拉控制應(yīng)力采用0.5 fpk）。經(jīng)綜合分析后預(yù)應(yīng)力鋼束采用19×15.2 mm的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線,抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為fpk=1 860 MPa,張拉控制應(yīng)力為0.5 fpk=930 MPa，即張拉控制力為2 473.8 kN，要求左右側(cè)同時(shí)對(duì)稱張拉，如圖4所示。

圖4 主橋箱梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)圖

施工時(shí)，在預(yù)應(yīng)力筋錨固位置的腹板和懸臂上新舊混凝土接觸面開(kāi)剪力槽,對(duì)原混凝土進(jìn)行鑿毛露出新鮮骨料。然后放樣鉆孔，并采用植筋技術(shù)，在新舊混凝土接觸處涂E200界面膠。在老混凝土表面處理達(dá)到設(shè)計(jì)要求并保持表面混凝土濕潤(rùn)狀態(tài)下，用毛刷涂抹一層0.5～1 mm厚的界面劑，可以在一定程度上改善新老混凝土的黏結(jié)微觀結(jié)構(gòu)，提高黏結(jié)強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力管道采用定位鋼筋固定，澆筑前應(yīng)檢查波紋管的密封性，防止管道阻塞。待新澆筑混凝土立方體強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%以后，方可對(duì)鋼束進(jìn)行張拉。張拉采用張拉控制應(yīng)力和引伸量雙控,以張拉控制應(yīng)力為主。預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)束后，應(yīng)及早對(duì)孔道進(jìn)行壓漿并錨固。

與粘貼鋼板、貼碳纖維布等加固方法比較，張拉預(yù)應(yīng)力束加固屬主動(dòng)加固法，可有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，結(jié)合增大截面加固法可提高橋梁結(jié)構(gòu)剛度，改善結(jié)構(gòu)的整體受力性能。

3.4 橋面加鋪超薄磨耗層

4 加固效果

（1）在荷載作用下，箱梁板底混凝土表面粘貼的鋼板和原箱梁混凝土結(jié)構(gòu)形成整體，箱梁混凝土表面已封閉或灌注的裂縫處于非活動(dòng)狀態(tài)，跨中正彎矩承載能力提高了12.3%,如圖5所示；箱梁中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)采用增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)后，支點(diǎn)處新增預(yù)應(yīng)力鋼束和原箱梁結(jié)構(gòu)共同受力，中支點(diǎn)負(fù)彎矩承載能力提高了14.4%，如圖6所示。對(duì)該箱梁橋維修加固處理后，橋梁整體受力性能得到顯著提高，橋跨結(jié)構(gòu)承載能力均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

圖5 加固后箱梁承載能力正彎矩及抗力包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖6 加固后箱梁承載能力負(fù)彎矩及抗力包絡(luò)圖（單位：kN·m）

（2）橋面鋪裝銑刨舊橋面鋪裝平均1 cm厚后加鋪2 cm厚NovaChip超薄磨耗層，在最小限度增加結(jié)構(gòu)自重的情況下有效提高了橋梁的行車安全性和舒適性。

5 結(jié)語(yǔ)

大亞灣白壽灣大橋維修加固后確保了橋梁的承載力,改善了橋梁的整體受力性能，提高了橋梁的行車安全性和舒適性。今后，還需對(duì)該橋進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，并建立橋梁檢測(cè)檔案,密切留意橋梁的病害發(fā)展情況。

[1]JTG H12—2004，公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].

[2]廣東省公路管理局．廣東省公路橋梁維修加固技術(shù)指南[M]．北京：人民交通出版社，2011.

更正

本刊2016年第4期發(fā)表的論文《公路隧道二次襯砌厚度不足成因分析和治理研究》（作者：蔣華龍，范厚彬）中，第一作者蔣華龍的單位應(yīng)為“同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系”，第二作者范厚彬的單位應(yīng)為“浙江省交通集團(tuán)甬臺(tái)溫高速公路有限公司”。

特此更正，并向作者致歉！

《城市道橋與防洪》編輯部

2016年5月

U448.35

B

1009-7716（2016）05-0172-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.049

2016-02-03

曾利強(qiáng)（1983-），男，廣東河源人，本科，路橋工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。