連續(xù)箱梁橋下?lián)戏治黾绑w外預(yù)應(yīng)力加固評(píng)價(jià)

黃志斌，羅旗幟，吳有俊

（1.佛山市軌道交通發(fā)展有限公司，廣東佛山528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程與建筑系，廣東佛山528000；3.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站，廣東佛山528041）

連續(xù)箱梁橋下?lián)戏治黾绑w外預(yù)應(yīng)力加固評(píng)價(jià)

黃志斌1，羅旗幟2，吳有俊3

（1.佛山市軌道交通發(fā)展有限公司，廣東佛山528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程與建筑系，廣東佛山528000；3.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站，廣東佛山528041）

由于設(shè)計(jì)理論、施工控制和后期養(yǎng)護(hù)等原因，某連續(xù)箱梁橋出現(xiàn)了嚴(yán)重下?lián)虾拖淞洪_(kāi)裂等病害。分析了該橋病害的成因，并采取了施加體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固。通過(guò)橋梁施工監(jiān)控和荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證了該加固措施能夠較好的增加箱梁截面的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，改善梁體的抗裂性能，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。該加固措施效果良好，可為以后同類(lèi)工程實(shí)踐提供借鑒。

箱梁橋；下?lián)?；體外預(yù)應(yīng)力；抗裂性

隨著高強(qiáng)度混凝土、高強(qiáng)度鋼筋和預(yù)應(yīng)力等建橋技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋得到了廣泛的應(yīng)用。但由于早期設(shè)計(jì)理論和對(duì)該類(lèi)橋型認(rèn)識(shí)的局限性，以及施工質(zhì)量控制不嚴(yán)和后期養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等原因，導(dǎo)致了一些預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中或運(yùn)營(yíng)幾年后出現(xiàn)不同程度的病害［1-5］。本文以某大跨徑連續(xù)箱梁橋?yàn)槔?，分析了主梁下?lián)虾拖淞洪_(kāi)裂等病害的成因，并提出了采用體外應(yīng)力等措施進(jìn)行加固。通過(guò)加固設(shè)計(jì)分析、施工監(jiān)控和荷載試驗(yàn)評(píng)價(jià)了該體外預(yù)應(yīng)力的加固效果，得出了一些有益的結(jié)論，可為同類(lèi)工程實(shí)踐提供借鑒。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

某大跨徑橋梁建成于1995年，橋梁全長(zhǎng)2 401 m，其中主航道橋?yàn)椋?3+128+83）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，主梁采用單箱單室變截面箱梁，根部梁高7.0 m，跨中梁高2.6 m，梁高采用二次拋物線過(guò)渡，箱梁頂板寬12.5 m，底板寬7.2 m，材料采用C50混凝土。橋梁主墩采用薄壁矩形實(shí)心墩，群樁基礎(chǔ)，見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)荷載為汽-超20級(jí)，掛-120，按照一級(jí)公路設(shè)計(jì)。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)示意圖（單位：cm）

1.2 橋梁病害情況

經(jīng)過(guò)20年的運(yùn)營(yíng)后，該橋出現(xiàn)了如下病害：

（1）箱梁出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的下?lián)犀F(xiàn)象，其中128 m主跨箱梁兩側(cè)分別下?lián)?3.42 cm、22.17 cm，其撓曲變形已超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范［6-7］的限值要求（L/600= 21.33 cm）。

（2）箱梁腹板出現(xiàn)較多的豎向和“L”型裂縫，且裂縫寬度較寬，個(gè)別裂縫寬度達(dá)0.20 mm，屬結(jié)構(gòu)受力裂縫。

（3）箱外底板和箱內(nèi)頂板普遍存在縱向裂縫，個(gè)別裂縫有滲漏、析白的現(xiàn)象，少數(shù)裂縫寬度超限。

（4）箱梁表面多處存在不同程度的蜂窩、破損、露筋等病害。

2 橋梁病害分析

2.1 主跨跨中下?lián)铣梢蚍治?/p>

橋梁主跨跨中下?lián)系脑虬ǎ嚎v向預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置不合理，未設(shè)置腹板下彎索；預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)底板崩裂和管道壓漿不飽滿，導(dǎo)致縱向預(yù)應(yīng)力有效性降低；混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期收縮和徐變，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失；施工控制不嚴(yán)，預(yù)拱度設(shè)置偏差；瀝青混凝土層加鋪和車(chē)輛超載，導(dǎo)致恒載和活載的增加。

2.2 腹板“L”型裂縫成因分析

箱梁腹板“L”型裂縫形成的原因包括：預(yù)應(yīng)力有效性不足，導(dǎo)致箱梁彎曲開(kāi)裂；偏載效應(yīng)的影響，導(dǎo)致偏載側(cè)腹板與底板相交處開(kāi)裂；日照溫差的影響，導(dǎo)致腹板豎向裂縫的擴(kuò)展。

2.3 箱外底板縱向裂縫成因分析

橋梁箱外底板縱向裂縫形成的原因包括：箱梁底板橫向配筋不足，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉產(chǎn)生徑向的下崩力，導(dǎo)致混凝土縱向開(kāi)裂；混凝土保護(hù)層偏薄，混凝土振搗不密實(shí)，在長(zhǎng)期風(fēng)化作用下導(dǎo)致混凝土縱向開(kāi)裂。

2.4 箱內(nèi)頂板縱向裂縫成因分析

橋梁箱內(nèi)頂板縱向裂縫形成的原因包括：頂板橫向未配置預(yù)應(yīng)力鋼束，在各種荷載作用下，導(dǎo)致箱內(nèi)頂板縱向開(kāi)裂；箱梁合攏時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力和保護(hù)層偏薄，導(dǎo)致箱梁結(jié)構(gòu)沿合攏束縱向開(kāi)裂。

3 加固措施

由以上的橋梁病害成因分析可知，該橋較為嚴(yán)重的病害為主跨跨中下?lián)虾透拱濉癓”型裂縫，二者都與箱梁縱向預(yù)應(yīng)力有效性的降低有較大關(guān)系［8-9］，因此該橋主要的加固措施如下：

（1）為提高箱梁的縱向預(yù)應(yīng)力度，抑制梁體下?lián)希岣呖缰薪孛婵箯澇休d能力，在該橋邊跨設(shè)置4束體外預(yù)應(yīng)力索，中跨設(shè)置6束體外預(yù)應(yīng)力索，通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)向塊，錨固在墩頂橫隔板現(xiàn)澆的錨固塊上，見(jiàn)圖2。鋼絞線采用單層無(wú)粘結(jié)環(huán)氧噴涂鋼絞線，每束19股（19-φs15.24 mm），標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，錨下控制張拉應(yīng)力σcon=0.60fpk=1 116 MPa。邊跨采用單端張拉，中跨采用兩端張拉。

圖2 體外預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖（單位：cm）

（2）為保證體外索張拉過(guò)程中箱梁底板不發(fā)生崩裂現(xiàn)象，在箱梁跨中位置的施工接縫及其箱梁底板及腹板采用包夾鋼板加固。內(nèi)、外側(cè)鋼板間錨栓采用對(duì)拉布置，以達(dá)到增加底板內(nèi)豎向勾筋的效果，增強(qiáng)底板整體性。

（3）對(duì)于裂縫寬度≥0.15 mm的裂縫，采用壓力灌注法；對(duì)于裂縫寬度＜0.15 mm的裂縫，采用表面封閉法；對(duì)于箱梁板底的空洞、波紋管外露病害，先鑿除松散的混凝土，通過(guò)預(yù)留的壓漿孔對(duì)波紋管上側(cè)孔隙進(jìn)行壓漿，壓漿材料采用環(huán)氧基型水泥漿。

4 加固計(jì)算分析

采用橋梁大型有限元計(jì)算軟件MIDAS/Civil和MIDAS/FEA對(duì)箱梁施加體外預(yù)應(yīng)力鋼束后進(jìn)行受力模擬，計(jì)算模型見(jiàn)圖3，分析了該橋在四種設(shè)計(jì)荷載組合作用下的受力狀況（組合1：恒載+汽車(chē)；組合2：恒載+支座沉降+汽車(chē)+溫度梯度升溫；組合3：恒載+支座沉降+汽車(chē)+溫度梯度降溫；組合4：恒載+掛車(chē)）［10-11］。

圖3 橋梁有限元計(jì)算模型

4.1 正截面抗彎承載力驗(yàn)算

在各荷載組合作用下，橋梁控制截面最大彎矩與結(jié)構(gòu)抗力對(duì)比情況見(jiàn)表1，在加固后主梁各正截面最大彎矩均小于結(jié)構(gòu)抗力，安全系數(shù)在1.28～1.58之間，滿足規(guī)范要求，且加固后的結(jié)構(gòu)抗力比原橋結(jié)構(gòu)提高了1.06～1.18倍。

表1 最大彎矩與結(jié)構(gòu)抗力對(duì)比表

4.2 斜截面抗剪承載力驗(yàn)算

在各荷載組合作用下，橋梁控制截面最大剪力與結(jié)構(gòu)抗力對(duì)比情況見(jiàn)表2，在加固后主梁各斜截面最大剪力均小于結(jié)構(gòu)抗力，安全系數(shù)在1.13～1.27之間，滿足規(guī)范要求，且加固后的結(jié)構(gòu)抗力比原橋結(jié)構(gòu)提高了1.09～1.11倍。

表2 最大剪力與結(jié)構(gòu)抗力對(duì)比表

5 橋梁施工監(jiān)控分析

為使該橋加固效果能達(dá)到設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)，并保證在加固過(guò)程中安全可靠，避免加固過(guò)程中產(chǎn)生二次病害，在加固實(shí)施過(guò)程中對(duì)該橋進(jìn)行了施工監(jiān)控［12-13］。監(jiān)控的主要內(nèi)容為主梁撓度和關(guān)鍵截面應(yīng)力的變化情況。

5.1 撓度監(jiān)控分析

撓度測(cè)點(diǎn)布置在橋面連續(xù)梁墩頂、L/8、L/4、3L/8、L/2（L為各跨跨徑）處，分左、右兩側(cè)測(cè)量。根據(jù)加固前的檢測(cè)報(bào)告可知，該橋主跨箱梁兩側(cè)分別下?lián)?3.42 cm、22.17 cm，從圖4可以看出，體外預(yù)應(yīng)力張拉后，其橋面線型雖有改善，但尚存在不平順的現(xiàn)象，這與體外預(yù)應(yīng)力加固主要目的為提高橋梁的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，對(duì)很好的改善橋梁線型有一定的局限性。

圖4 體外索張拉后的橋面線型

圖5為體外索張拉箱梁撓度變形實(shí)測(cè)值與理論值比較情況，由圖5可以看出，該橋兩側(cè)主跨跨中分別上翹22.60 mm、25.83 mm，而理論值均為24.97 mm，其實(shí)測(cè)值與理論值的比值為0.905和1.034，實(shí)測(cè)撓度與理論值變化趨勢(shì)相吻合，且兩側(cè)撓度上翹數(shù)值相當(dāng)，橋梁結(jié)構(gòu)不存在空間扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，變形屬于正常范圍內(nèi)。

圖5 體外索張拉撓度變形情況

5.2 應(yīng)力監(jiān)控分析

應(yīng)力監(jiān)測(cè)的控制截面包括：中墩墩頂附近、邊跨L/4、邊跨L/2、中跨L/4、中跨L/2（L為各跨跨徑），見(jiàn)圖6。

表3為各截面的應(yīng)力監(jiān)控情況對(duì)比表，由表3可以看出，各截面在體外索張拉過(guò)程中，其壓應(yīng)力儲(chǔ)備得到了不同程度的提高，實(shí)測(cè)壓應(yīng)變最大值為中跨跨中箱內(nèi)底板位置，其壓應(yīng)變?yōu)?02.1με，按照C50混凝土彈性模量為3.45×104MPa計(jì)算，其壓應(yīng)力為3.52 MPa，說(shuō)明體外索的張拉有效改善了箱梁的受力狀況。且通過(guò)與理論值的比較，得知各截面實(shí)測(cè)值與理論值較為接近，其比值約在0.7～0.9之間，應(yīng)力情況屬于正常范圍內(nèi)。

圖6 應(yīng)變監(jiān)控截面示意圖（單位：cm）

表3 應(yīng)力監(jiān)控情況對(duì)比表

6 橋梁荷載試驗(yàn)分析

6.1 試驗(yàn)加載

通過(guò)橋梁荷載試驗(yàn)，對(duì)橋梁承載能力、工作狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估，評(píng)價(jià)加固的效果，判定該橋是否能夠正常交付運(yùn)營(yíng)使用。采用彎矩等效原則，對(duì)該橋進(jìn)行了橋梁荷載試驗(yàn)［14-15］，并與加固前的荷載試驗(yàn)做對(duì)比。針對(duì)主跨下?lián)蠂?yán)重的情況，荷載試驗(yàn)截面選取中跨跨中，加載采用8臺(tái)300 kN重車(chē)，在設(shè)計(jì)荷載（公路-Ⅰ級(jí)）作用下該截面理論彎矩為24 460.3 kN?m，本次試驗(yàn)彎矩為23 151.6 kN?m，試驗(yàn)荷載效率為0.946。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

加固前后的實(shí)測(cè)撓度值與理論計(jì)算值比較情況見(jiàn)圖7，從圖7可以看出，加固前的跨中最大實(shí)測(cè)撓度為44.69 mm，與理論計(jì)算值46.63 mm相當(dāng)，其撓度校驗(yàn)系數(shù)接近于1。加固后的跨中最大實(shí)測(cè)撓度為36.91 mm，小于理論計(jì)算值，其撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.792，且實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值曲線的變化趨勢(shì)一致，這表明了采用體外預(yù)應(yīng)力加固的方法，有效提高了該橋主跨的整體剛度。

圖7 實(shí)測(cè)撓度與理論計(jì)算撓度比較

加固前后的跨中底板跨裂縫布置的實(shí)測(cè)應(yīng)變值與理論計(jì)算值比較情況見(jiàn)圖8，從圖8可以看出，加固前的實(shí)測(cè)應(yīng)變值隨著荷載的增加呈現(xiàn)拋物線增長(zhǎng)，且實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，這表明加固前該梁體的抗裂性能較差，梁體處于開(kāi)裂的工作狀態(tài)。加固后的實(shí)測(cè)應(yīng)變值隨著荷載的增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，且實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，這表明采用體外預(yù)應(yīng)力加固的方法，有效改善了該梁體的抗裂性能，梁體處于彈性工作狀態(tài)。

圖8 實(shí)測(cè)應(yīng)變與理論計(jì)算應(yīng)變比較

7 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)該預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋主梁下?lián)虾拖淞洪_(kāi)裂等病害的成因分析，提出了采用體外預(yù)應(yīng)力等措施進(jìn)行加固，加固設(shè)計(jì)分析表明該方法能夠較好提高橋梁的承載能力，改善病害橋梁的受力狀況。

（2）通過(guò)對(duì)該橋體外預(yù)應(yīng)力加固的全過(guò)程施工監(jiān)控，其應(yīng)力和位移的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，說(shuō)明該加固達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。箱梁各截面在體外索張拉過(guò)程中，其壓應(yīng)力儲(chǔ)備得到了不同程度的提高。

（3）體外預(yù)應(yīng)力張拉對(duì)橋面線型雖有改善，但尚存在不平順的現(xiàn)象，這與體外預(yù)應(yīng)力加固主要目的為提高橋梁的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，對(duì)很好的改善橋梁線型有一定的局限性。（4）從加固前后的荷載試驗(yàn)比較，體外預(yù)應(yīng)力張拉對(duì)裂縫產(chǎn)生了明顯的閉合效應(yīng)，有效改善了梁體的抗裂性能，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度。

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Deflection Analysis and External Prestressing Reinforcement Evaluation of Continuous Box－Girder Bridge

HUANG Zhibin1，LUO Qizhi2，WU Youjun3
（1.Foshan Metro Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan，Guangdong 528000，China；2.Department of Civil Engineering，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan，Guangdong 528000，China；3.Road and Bridge Engineering Monitoring Station of Foshan City，F(xiàn)oshan，Guangdong 528041，China）

Due to the design imperfection，construction control，maintenance management and many other reasons，a continuous box－girder bridge was severely under diseases such as deflection and crack.In this paper，the causes of these diseases were analyzed and the external prestressing was applied to reinforce the bridge.Through the bridge construction monitoring and load tests，it is proved that the reinforcement measures can increase the stress reserves and improve the cracking resistance and strengthen the overall stiffness of the bridge.This reinforcement measures have good effects which can provide reference for the similar projects in future.

box－girder bridge；deflection；external prestressing；cracking resistance

U445.7

A

1672—1144（2016）05—0075—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.014

2016－06－07

2016－07－03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50978058）；全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（200954）；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（S2011010005037）

黃志斌（1983—），男，廣東佛山人，碩士，工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)與地下空間結(jié)構(gòu)方面的工作。E－mail：81525309@qq.com