某PC連續(xù)箱梁橋病害分析及體外預(yù)應(yīng)力加固研究★

劉 恒 曾芙霞 曹曉斌

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院，湖南 衡陽 421002)

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋是目前較為常見的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式。相較于其他橋型，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋以其結(jié)構(gòu)受力性能好、跨越能力強(qiáng)、行車平順舒適、造型簡潔、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)而成為最富有競爭力的主要橋型之一。

隨著運(yùn)營時(shí)間增加、材料的老化以及結(jié)構(gòu)環(huán)境的變化，大量在役PC連續(xù)箱梁橋出現(xiàn)了不同程度的病害，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的使用壽命和車輛行人的安全。因此，對(duì)既有橋梁進(jìn)行病害分析和加固顯得尤為重要。

相對(duì)于其他加固方法，體外預(yù)應(yīng)力加固具有受力明確、施工方便、減輕梁體自重、便于后期檢查及維修等優(yōu)點(diǎn)。

1 工程背景

1.1 工程概況

某橋梁上部結(jié)構(gòu)為40 m+60 m+40 m跨徑組合的三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主梁采用單箱雙室截面，箱梁頂板寬16 m，底板寬11 m，懸臂2.5 m，根部梁高3.5 m，跨中梁高2.0 m，梁高和底板厚均按二次拋物線變化。頂板厚30 cm，底板厚度由支點(diǎn)至跨中從50 cm變化到28 cm，邊腹板厚度由支點(diǎn)至跨中按60 cm,50 cm分段設(shè)置，中腹板保持60 cm厚度不變。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩臺(tái)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)。主梁使用C50混凝土，采用掛籃懸臂施工。橋型布置圖見圖1，箱梁截面圖見圖2。

主橋變截面懸澆連續(xù)箱梁采用三向(縱向、橫向、豎向)預(yù)應(yīng)力，縱向預(yù)應(yīng)力束根據(jù)張拉的時(shí)間與形狀不同可分為前期頂板束、前期下彎束和后期束，前期頂板束與前期下彎束在澆筑“T”時(shí)進(jìn)行張拉，后期束在“T”澆筑完畢以及前期頂板束和前期下彎束張拉完成后，主橋合龍時(shí)或成橋后進(jìn)行張拉。

本橋前期頂板束、前期下彎束、后期束，分別設(shè)置16φs15.2 mm，12φs15.2 mm鋼絞線，控制應(yīng)力為0.75fpk，16φs15.2 mm鋼絞線張拉控制力為3 124.8 kN，配YM15-16錨具，兩端張拉。12φs15.2 mm鋼絞線張拉控制力為2 343.6 kN，配YM15-12錨具，兩端張拉。

箱梁腹板內(nèi)豎向及橫隔板豎向和橫向預(yù)應(yīng)力均采用3φs15.2 mm鋼絞線，采用二次張拉工藝，配OHM15-3G二次張拉專用錨具，控制應(yīng)力0.75fpk，張拉控制力為586 kN。一端固定，一端張拉。腹板豎向預(yù)應(yīng)力縱向間距為50 cm。

箱梁頂板橫向預(yù)應(yīng)力束為3φs15.2 mm鋼絞線，單端交錯(cuò)張拉，配YMB-3扁錨，錨固端采用鋼絞線打花工藝錨固，縱向間距為50 cm，控制應(yīng)力0.75fpk，張拉控制力為586 kN。

1.2 病害調(diào)查

該橋位于交通要道，車流量較大，且經(jīng)常有運(yùn)輸砂石的超載車輛通過。經(jīng)過十多年的運(yùn)營，該橋出現(xiàn)了不少病害。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，該橋主要病害為裂縫和撓度。裂縫主要分布形態(tài)有支點(diǎn)附近的頂板縱橋向和橫橋向裂縫、翼板橫向裂縫、腹板斜向裂縫以及主跨跨中30 m范圍內(nèi)的底板橫向裂縫。梁體裂縫共計(jì)275條，其中底板橫向裂縫最多，最大裂縫寬度0.9 mm，且有不斷加大趨勢。主梁線形檢測數(shù)據(jù)跟設(shè)計(jì)標(biāo)高對(duì)比顯示，主跨跨中下?lián)?0.8 mm，且有繼續(xù)下?lián)系内厔荨?/p>

另外，箱梁局部有蜂窩、麻面、露筋、鋼筋銹蝕等缺陷。

1.3 病害成因分析

根據(jù)箱梁主要病害檢測結(jié)果，分析主要成因有以下幾點(diǎn)：

1)設(shè)計(jì)原因。

原設(shè)計(jì)縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)不足，預(yù)應(yīng)力安全儲(chǔ)備偏小；部分預(yù)應(yīng)力束布置不合理，造成局部應(yīng)力過大，普通鋼筋配置偏少，不能有效阻止、延緩裂縫的發(fā)展。

2)施工質(zhì)量原因。

橋梁施工時(shí)振搗不夠充分或模板質(zhì)量較差，導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生較多蜂窩、麻面；施工時(shí)鋼筋保護(hù)層不夠，造成露筋、鋼筋銹蝕等缺陷；由于趕工期，跨中段混凝土澆筑質(zhì)量差，有的地方腹板厚度少了2 cm～3 cm；施加預(yù)應(yīng)力時(shí)構(gòu)件齡期過短，徐變引起的變形及預(yù)應(yīng)力損失過大；箱梁懸臂澆筑時(shí)線形控制較差導(dǎo)致跨中段橋面鋪裝層過厚，恒重加大。因此，造成主跨跨中下?lián)陷^大。

3)外部環(huán)境原因。

該橋位于交通要道，車流量大，且超載車較多，加之橋位附近的金屬冶煉企業(yè)污染較嚴(yán)重，對(duì)鋼筋混凝土影響較大；混凝土的收縮徐變?cè)斐深A(yù)應(yīng)力損傷過大。

2 體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)

通過對(duì)該橋進(jìn)行承載能力檢算和荷載試驗(yàn)顯示，該橋抗彎承載能力明顯不足，應(yīng)力和撓度校驗(yàn)系數(shù)部分低于1，實(shí)測剛度低于理論值。針對(duì)以上病害情況，采取以下措施維修：對(duì)蜂窩麻面、裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)鋼筋裸露部分進(jìn)行除銹，鋼筋銹蝕嚴(yán)重的重新焊接鋼筋。針對(duì)承載能力不足的情況，采用折線形體外索加固以達(dá)到增強(qiáng)抗彎承載力的要求。

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場檢測得出的尺寸及配筋數(shù)據(jù)，采用Midas Civil軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中考慮的荷載有：連續(xù)梁自重；橋面二期恒載；公路—Ⅰ級(jí)汽車活載；梁截面豎向非線性溫度分布效應(yīng)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》?。辉A(yù)應(yīng)力及相應(yīng)的二次內(nèi)力效應(yīng)；混凝土收縮徐變及其相應(yīng)的二次內(nèi)力效應(yīng)。不考慮支座位移，只涉及縱向受力及配筋計(jì)算?？紤]到該橋跨徑不算大，又采用單箱雙室，擬采用8束無粘結(jié)鋼絞線集束作為體外索，分別在中腹板兩側(cè)、兩邊腹板內(nèi)側(cè)成折線形布置，每側(cè)面兩束。體外索取每束19φs15.2無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線集束，每束截面面積為19×140=2 660 mm2，8束截面面積Ape=21 280 mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860，張拉控制應(yīng)力取0.55fpk=0.55×1 860=1 023 MPa。體外預(yù)應(yīng)力索在中跨、邊跨均采用雙折線，中間繞過中支點(diǎn)橫隔板，兩端錨固于邊跨支點(diǎn)附近的新增齒塊上，在新增齒塊上設(shè)錨座，采用兩端張拉錨固。新增鋼結(jié)構(gòu)肋形轉(zhuǎn)向橫隔板，共6道。體外預(yù)應(yīng)力索布置見圖3。

3 加固效果分析

加固完成后，按公路—Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)效率系數(shù)介于0.97～1.02，符合相關(guān)規(guī)范要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋經(jīng)體外預(yù)應(yīng)力加固后，跨中撓度降低了約30%，主跨跨中和邊跨跨中在試驗(yàn)荷載作用下的最大撓度值分別為8.2 mm和6.1 mm。各測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)均大于1，實(shí)測主橋剛度大于理論值。體外預(yù)應(yīng)力加固后，使梁體產(chǎn)生了預(yù)壓力，之前的裂縫大量減少或基本閉合，提高了橋梁的抗裂性。加固后中跨跨中和邊跨跨中下緣測點(diǎn)撓度、應(yīng)力數(shù)據(jù)見表1。

表1 加固后中跨跨中和邊跨跨中下緣測點(diǎn)撓度、應(yīng)力數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

1)PC連續(xù)箱梁橋在運(yùn)營過程中出現(xiàn)的病害主要為裂縫和跨中下?lián)?，其產(chǎn)生原因主要有設(shè)計(jì)存在不足、施工質(zhì)量較差以及環(huán)境變化等情況；

2)對(duì)PC連續(xù)箱梁而言，體外預(yù)應(yīng)力加固顯著提高了橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和有效改善了橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能，加固后跨中撓度明顯減小，裂縫寬度變窄甚至閉合。體外預(yù)應(yīng)力加固PC連續(xù)箱梁效果明顯、施工方便、工程質(zhì)量易于控制，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的發(fā)展空間。