某預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁底板崩裂加固及后評(píng)價(jià)

張紅章，何麗娟，范衛(wèi)琴

（1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明365004；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢430070）

某預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁底板崩裂加固及后評(píng)價(jià)

張紅章1，何麗娟2，范衛(wèi)琴1

（1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明365004；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢430070）

通過(guò)對(duì)某預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁底板崩裂問(wèn)題的分析，闡述了設(shè)計(jì)和施工中防崩鋼筋配置不當(dāng)和預(yù)應(yīng)力束局部凸起、位移是引起橋梁底板混凝土崩裂破壞的主要原因；針對(duì)出現(xiàn)崩裂的部位和原因，對(duì)該橋進(jìn)行了修復(fù)與加固；通過(guò)橋梁荷載試驗(yàn)，對(duì)修復(fù)效果進(jìn)行了有效的評(píng)價(jià)。

連續(xù)箱梁；底板崩裂；曲率效應(yīng)；荷載試驗(yàn)

預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋由于其具有較大的跨越能力、行車平順舒適、受力合理、材料節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)交通建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了諸多問(wèn)題，預(yù)應(yīng)力箱梁在施工階段底板混凝土向下崩裂就是其中之一。我國(guó)已有大量橋梁在施工過(guò)程中出現(xiàn)了箱梁底板崩裂事故，本文論述了預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁底板崩裂的主要原因，采取了有效的修復(fù)和加固措施，并根據(jù)橋梁荷載試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)加固后橋梁的工作狀態(tài)。

1　工程概況

該橋全長(zhǎng)318 m，其中主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，跨徑分別為（51+90+51）m，主梁為單箱單室箱形截面，橋墩處梁高5.2 m，跨中梁高2.4 m，梁高度從距墩中心1.8 m處到跨中合攏段處按二次拋物線變化，箱梁采用縱向和豎向雙向預(yù)應(yīng)力體系，設(shè)計(jì)荷載采用公路Ⅱ級(jí)。主橋采用掛籃懸臂現(xiàn)澆法施工，在兩邊跨和主跨設(shè)置合龍段，合龍順序?yàn)橄群淆堖吙?，后合龍中跨。?shí)際施工時(shí)，支架現(xiàn)澆段和合攏段均在支架現(xiàn)澆。主橋布置圖如圖1所示。

圖1　主橋布置圖

該橋在兩邊跨合攏、鋼束灌漿完畢，支架現(xiàn)澆段落架后發(fā)現(xiàn)兩邊跨11號(hào)塊底板底面混凝土發(fā)生局部崩裂，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和計(jì)算分析，發(fā)生底板混凝土局部崩裂的原因主要有：箱梁底板混凝土拉筋、防崩裂鋼筋未按照設(shè)計(jì)布設(shè)；主梁底板預(yù)應(yīng)力管道實(shí)際位置與設(shè)計(jì)存在差異，崩裂處管道存在上拱現(xiàn)象，最大上拱達(dá)到5 cm，張拉預(yù)應(yīng)力筋時(shí)產(chǎn)生較大徑向力，導(dǎo)致梁體底板混凝土崩裂［1-4］。

2　加固修復(fù)方案

根據(jù)橋梁的實(shí)際受力狀況，在維持原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的前提下，以增加防崩鋼筋和減少?gòu)较蛄榛疽螅?-7］，對(duì)受損的邊跨箱梁底板進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)中跨箱梁底板進(jìn)行預(yù)防性加固設(shè)計(jì)。

2.1邊跨維修方案

按鋸齒狀將崩裂處松散混凝土全部鑿除，對(duì)底板原有橫向綁扎連接的鋼筋采用焊接連接，在底板頂部增設(shè)Q235B級(jí)熱軋鋼板，同時(shí)在底板鉆孔，采用直徑為16 mm的U形鋼筋沿鉆孔穿過(guò)箱梁底板，勾住橫向鋼筋，并用螺栓錨固在箱梁內(nèi)鋼板上。完成后在11號(hào)塊及附近梁段范圍內(nèi)橋面分級(jí)施加配重，澆筑修復(fù)混凝土并達(dá)到強(qiáng)度后，卸掉橋面臨時(shí)荷載，使后澆混凝土儲(chǔ)備一定的壓應(yīng)力。邊跨底板修復(fù)詳見(jiàn)圖2所示。

2.2中跨加固方案

為防止中跨后期出現(xiàn)崩裂掉塊現(xiàn)象，主要采取了預(yù)防性加固措施。在預(yù)應(yīng)力管道區(qū)域，沿底板上下表面縱向鑿除混凝土表層保護(hù)層3.5 cm，間隔黏貼鋼板，采用16 mm螺栓將上下層鋼板連接牢固，后采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行封閉處理。中跨加固方案詳見(jiàn)圖3。

圖2　邊跨底板修復(fù)方案

圖3　中跨底板加固方案

3　試驗(yàn)驗(yàn)證及后評(píng)價(jià)

加固完成后，對(duì)該橋進(jìn)行了靜載和動(dòng)載試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定主橋箱梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下控制斷面的應(yīng)力和撓度，并與理論計(jì)算值相比較，對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際使用性能和工作狀態(tài)作出評(píng)價(jià)；通過(guò)測(cè)定主橋橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性、在動(dòng)荷載作用下應(yīng)變與沖擊系數(shù)，評(píng)價(jià)主橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。

3.1靜載檢測(cè)

3.1.1試驗(yàn)布置及參數(shù)

通過(guò)測(cè)量橋跨結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的變形和應(yīng)力，以確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相等，并檢查荷載試驗(yàn)過(guò)程中裂縫是否開(kāi)展。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用Ansys分析軟件建立空間有限元計(jì)算模型，采用Solid65單元進(jìn)行模擬，共劃分17024個(gè)單元，采用C50混凝土，彈性模量E=3.45× 104MPa，容重r=25 kN/m3，泊松比v= 0.2，計(jì)算模型如下圖4所示。

圖4　結(jié)構(gòu)單元離散圖

實(shí)際檢測(cè)選取跨中截面（A-A），中跨L/4截面（C-C）、2#墩支點(diǎn)截面（BB），邊跨跨中截面（D-D），對(duì)全橋撓度、應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)工況如下：（1）檢查中跨跨中截面（A截面），在最不利活載工況作用下具有最大正彎矩效應(yīng)及豎向撓度的偏心加載試驗(yàn)；（2）檢查邊跨跨中截面（D截面），在最不利活載工況作用下具有最大正彎矩效應(yīng)及豎向撓度的偏心加載試驗(yàn)；（3）檢驗(yàn)中跨L/4截面（C截面），在最不利活載工況作用下具有最大正彎矩效應(yīng)及豎向撓度的偏心加載試驗(yàn)；（4）檢驗(yàn)2#墩頂截面（B截面），在最不利活載工況作用下具有剪力效應(yīng)的偏心加載試驗(yàn)；（5）檢驗(yàn)2#墩頂截面（B）截面，在最不利活載工況作用下具有剪力效應(yīng)的偏心加載試驗(yàn)。

3.1.2荷載效率

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)活載重量及布載方式，荷載效應(yīng)理論計(jì)算值及荷載效率見(jiàn)表1。

表1　各工況靜載試驗(yàn)控制截面荷載效率表

試驗(yàn)的靜力荷載效率在0.857～1.018之間，試驗(yàn)荷載在結(jié)構(gòu)控制截面產(chǎn)生的最大內(nèi)力效應(yīng)和變位效應(yīng)，能夠反映設(shè)計(jì)計(jì)算活載作用下同一截面最不利內(nèi)力效應(yīng)和變位效應(yīng)，基本滿足評(píng)定規(guī)程的有關(guān)要求。

3.1.3試驗(yàn)結(jié)果分析及評(píng)定

（1）主跨跨中截面最大彎矩及撓度（工況I）

表2　主跨L/4截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表（工況I）?。é苔牛?/p>

表3　邊跨跨中截面各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值及卸載后殘余變形統(tǒng)計(jì)表（工況I）?。╩m）

由表2～3可知，在工況I各級(jí)荷載作用下，主跨跨中截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，卸載后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本恢復(fù)，各測(cè)點(diǎn)荷載與應(yīng)變大致呈線性變化，說(shuō)明主跨跨中截面在工況I試驗(yàn)荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)；主跨跨中截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.55～0.69之間，相對(duì)殘余應(yīng)變介于0.19%～0.70%之間，滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求；測(cè)點(diǎn)AN-X、AN-S荷載與撓度大致呈線性變化，說(shuō)明主跨跨中截面在工況I試驗(yàn)荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)；主跨跨中截面撓度測(cè)點(diǎn)AN-X、AN-S撓度校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余變形滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求。

（2）邊跨跨中截面最大彎矩及撓度（工況II）

在工況II各荷載作用下，邊跨跨中截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值、卸載后殘余應(yīng)變值、校驗(yàn)系數(shù)等見(jiàn)表4，各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值、卸載后殘余變形統(tǒng)計(jì)值、校驗(yàn)系數(shù)等見(jiàn)表5。

表4　主跨L/4截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表（工況II）　（με）

表5　邊跨跨中截面各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值及卸載后殘余變形統(tǒng)計(jì)表（工況II）?。╩m）

由表4～5可以看出，在工況II各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，邊跨跨中截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，卸載后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本恢復(fù)，荷載與應(yīng)變基本呈線性變化，說(shuō)明邊跨跨中截面在該工況試驗(yàn)荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)；邊跨跨中截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變檢驗(yàn)系數(shù)介于0.55～0.92之間，相對(duì)殘余應(yīng)變介于6.13%～9.38%，滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求；測(cè)點(diǎn)DN-S、DN-X荷載與撓度大致呈線性變化，說(shuō)明邊跨跨中截面在工況II試驗(yàn)荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)；邊跨跨中截面撓度測(cè)點(diǎn)DN-X，DN-S撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.7、0.69，相對(duì)殘余變形分別為1.67%、3.39%，滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求。

（3）主跨L/4截面最大彎矩及撓度（工況III）

在工況III各級(jí)荷載作用下，主跨L/4截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值、卸載后殘余應(yīng)變值、校驗(yàn)系數(shù)等見(jiàn)表6，各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值、卸載后殘余變形值、校驗(yàn)系數(shù)等見(jiàn)表7。

表6　主跨L/4截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表（工況III）?。é苔牛?/p>

表7　邊跨跨中截面各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值及卸載后殘余變形統(tǒng)計(jì)表（工況III）

由表6～7可知，在工況III各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，主跨L/4截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，卸載后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本恢復(fù)，荷載與應(yīng)變之間大致呈線性變化，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)介于0.66～0.84之間，相對(duì)殘余應(yīng)變介于0.47%～1.37%之間，滿足《大跨徑混凝土-梁的試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求；測(cè)點(diǎn)CN-X、CN-S荷載與撓度大致呈線性變化，說(shuō)明在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，校驗(yàn)系數(shù)分別為0.79、0.71，相對(duì)殘余變形分別為3.34%、5.61%，均滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求。

（4）墩頂負(fù)彎矩應(yīng)變分析與評(píng)定（工況IV）

2015年12月，水利部組織編制了《東北黑土區(qū)侵蝕溝治理專項(xiàng)規(guī)劃(2016～2030年)》，并于2017年啟動(dòng)了東北黑土區(qū)侵蝕溝綜合治理專項(xiàng)工程。為推動(dòng)侵蝕溝綜合治理工程的順利實(shí)施，在深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，筆者總結(jié)出適用于東北黑土區(qū)的侵蝕溝治理模式，便于各水土保持管理部門與工程技術(shù)人員應(yīng)用，為東北黑土區(qū)侵蝕溝的綜合治理專項(xiàng)工程提供參考。

在工況IV各級(jí)荷載作用下，墩頂截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值、卸載后殘余應(yīng)變值、校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表8。

表8　主跨L/4截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表（工況IV）

由表8可知，在工況IV各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，墩頂截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，卸載后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本恢復(fù)，墩頂截面荷載與應(yīng)變大致呈線性變化，校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余應(yīng)變滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求。

（5）墩頂剪力分析與評(píng)定（工況V）

在工況V各級(jí)荷載作用下，墩頂截面應(yīng)變理論計(jì)算值為46.92 MPa，測(cè)定實(shí)測(cè)值為37.99 MPa，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)0.81滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求，表明結(jié)構(gòu)目前處于彈性工作狀態(tài)。

3.2動(dòng)載檢測(cè)

在封閉交通的情況下，采用超低頻振動(dòng)傳感器測(cè)量橋跨結(jié)構(gòu)天然脈動(dòng)作用下的微小振動(dòng)響應(yīng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和分析獲得結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和阻尼比等橋梁自振參數(shù)，主橋隨機(jī)布置每跨3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，主橋隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表9；在橋面無(wú)任何障礙情況下，采用一輛總重約300kN的三軸載重汽車，對(duì)稱于橋面中線分別以10km/h至60km/h的速度勻速駛過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定中跨跨中在運(yùn)行車輛作用下的動(dòng)力反應(yīng)見(jiàn)表10。

表9　主橋隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表10　跑車試驗(yàn)沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表9～10可知，該橋主跨結(jié)構(gòu)在一～三階面內(nèi)頻率實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值為1.02～1.24，自振頻率測(cè)試結(jié)果均大于理論計(jì)算值，說(shuō)明橋跨結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力性能良好；根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004），該橋?qū)崪y(cè)一階豎向基頻f=1.414，汽車沖擊系數(shù)μ=0.05，跑車試驗(yàn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)介于0.006～0.027之間，小于按現(xiàn)行04規(guī)范計(jì)算得到的理論值0.05。

3.2荷載試驗(yàn)評(píng)價(jià)

（1）本次試驗(yàn)靜力荷載試驗(yàn)效率在0.857～1.018之間，試驗(yàn)荷載在結(jié)構(gòu)控制截面產(chǎn)生的最大內(nèi)力效應(yīng)和變位效應(yīng)，能夠反映設(shè)計(jì)計(jì)算荷載作用下同一截面最不利內(nèi)力效應(yīng)和變位效應(yīng)，基本滿足評(píng)定規(guī)程的有關(guān)要求；（2）各工況試驗(yàn)荷載下，箱梁各個(gè)測(cè)試斷面的應(yīng)變（應(yīng)力）的校驗(yàn)系數(shù)介于0.55～0.95之間，相對(duì)殘余應(yīng)變（應(yīng)力）介于0.19%～9.38%之間，滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》的要求；（3）主橋各階實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型基本一致，各階實(shí)測(cè)自振頻率均大于理論計(jì)算值，阻尼比介于0.010%～0.975%之間，主橋動(dòng)力性能良好；（4）跑車試驗(yàn)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)介于0.006～0.027之間，均小于按現(xiàn)行04規(guī)范計(jì)算的到的理論值0.05。

4　結(jié)論

（1）預(yù)應(yīng)力束曲率效應(yīng)產(chǎn)生的下崩力以及施工誤差造成的預(yù)應(yīng)力曲率效應(yīng)的增大是導(dǎo)致底板混凝土崩裂破壞的主要原因，在設(shè)計(jì)與施工中需要注意這個(gè)問(wèn)題。

（2）采用加強(qiáng)鋼板與防崩鋼筋、定位鋼筋組合的加固形式，能有效降低預(yù)應(yīng)力鋼絞線下崩力，防止底板混凝土崩裂破壞，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到正常的使用狀態(tài)。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)加固后的工作狀態(tài)，應(yīng)采取有效的荷載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

［1］朱漢華.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫分析與防治［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］王蒂.預(yù)應(yīng)力箱梁底板混凝土崩裂成因分析［J］.混凝土，2008（11）：43-46.

［3］田世清.PC連續(xù)剛構(gòu)橋構(gòu)造參數(shù)對(duì)底板崩裂的影響研究［J］.公路交通科技，2012（2）：44-47.

［4］包立新.對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋底板開(kāi)裂問(wèn)題的探討［J］.公路，2004（8）：39-41.

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［6］嚴(yán)允中.連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁底板崩裂原因及預(yù)防措施［J］.公路交通技術(shù)，2006（6）：101-104.

［7］魏樂(lè)永.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁底板崩裂破壞的機(jī)理及其對(duì)策［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2007（4）：53-57.

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Reinforcement and Evaluation for Bursting Cracks in Box Girder Bottom Slabs of Continuous Pre-stress Bridge

ZHANG Hong-zhang1，HE Li-juan2，F(xiàn)AN Wei-qin1

（1.College of Civil Engineering Architecture，Sanming University，Sanmming 365004，China；2.HuBei Water Resources Research Institute，Wuhan 430070，China）

Through the analysis of bursting cracks in box girder bottom slabs of continuous pre-stressed bridges，the main causes of bursting crack destroy that were the unreasonable configuration of the anti-collapse steel bar，the gibbosity and displacement of the pre-stressed beam in design and construction were explored.The bridge was repaired and reinforced. After the load test，the effects of repair was effectively evaluated.

continuous box girder；bursting crack in bottom slab；curvature effect；load test

U445.7

A

1673-4343（2016）02-0088-07

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.02.014

2015-12-08

三明學(xué)院科研基金項(xiàng)目（B201310/Q）；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA14294，JA14296）

張紅章，男，湖北武漢人，講師，工程師。主要研究方向：道路與橋梁工程。