某連續(xù)箱梁橋裂縫病害成因分析及加固計(jì)算

劉昌生

(福建陸海工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，福州 350000)

1 工程背景

某高速上一等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，左右幅錯(cuò)孔對(duì)稱布置， 左幅為45.8 m+3×50 m+31.6 m， 右幅為31.6 m+3×50 m+45.8 m，單幅橫向布置為0.5 m(護(hù)欄)+11.5 m(行車道)+0.5 m(護(hù)欄)，橋梁全長(zhǎng)235.42 m。 設(shè)計(jì)荷載：汽車-超20 級(jí)、掛-120；1997 年底建成。 總體布置圖見圖1。

（1）挖礦耗能問題。在PoW共識(shí)機(jī)制中，挖礦僅為簡(jiǎn)單的遍歷，浪費(fèi)了大量的算力。根據(jù)加密貨幣信息網(wǎng)站Digiconomist的數(shù)據(jù)稱：目前投入到比特幣和以太坊挖礦當(dāng)中的電力可以在所有國(guó)家和地區(qū)消耗電力中排名第71位，其中比特幣礦機(jī)消耗功率為14.54萬(wàn)兆瓦[14]。這些耗能僅用于交易的確認(rèn)，造成了巨大的浪費(fèi)。同時(shí)，挖礦造成了顯卡等產(chǎn)品的大量損耗，造成產(chǎn)品單價(jià)激增。

作者簡(jiǎn)介：林斌，男，福建省南靖縣山城鎮(zhèn)文化技術(shù)學(xué)校，一級(jí)教師，南靖縣山城鎮(zhèn)優(yōu)秀教師，本科學(xué)歷，研究方向：小學(xué)數(shù)學(xué)教育。

上部結(jié)構(gòu)采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，為單箱單室斜腹板箱型截面，箱梁梁高2.8 m，頂寬12.5 m，底寬4.2 m，斜腹板，翼緣板懸臂長(zhǎng)度為3.55 m。中支點(diǎn)往跨中10 m 為厚度漸變段， 其中底板厚度從支點(diǎn)往跨中由48～15 cm 漸變， 腹板厚度從支點(diǎn)往跨中由45～32 cm 漸變，頂板厚度為20 cm。

圖2 箱梁截面(單位：cm)

2 橋梁技術(shù)狀況

該橋主要病害為箱外橫向裂縫、 箱內(nèi)縱向裂縫及箱內(nèi)斜向裂縫，箱外橫向裂縫分布于梁底1/4 到跨中位置；斜向裂縫分布在梁端兩側(cè)腹板位置，其中超限寬裂縫(大于0.15 mm)有87 條，裂縫縫深普遍大于25 mm，最大縫深134 mm；縱向裂縫434 條，分布在兩側(cè)腹板位置，其中超限寬裂縫(大于0.15 mm)306 條；兩側(cè)腹板頂端存在縱向施工縫，縫寬較大，裂縫順橋向在箱內(nèi)外對(duì)稱分布，箱內(nèi)縫寬大于箱外縫寬。

(2)JTJ023-85 規(guī)范中僅規(guī)定了T 形截面連續(xù)梁由于日照溫差引起的內(nèi)力計(jì)算，在缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)，可假定溫度差+5℃(橋面板上升5℃)，并在橋面板內(nèi)均勻分布。對(duì)于該條規(guī)定，并沒有相應(yīng)的說(shuō)明，缺乏對(duì)梯度溫度的系統(tǒng)研究，相比JTG D60-2004 規(guī)范，明顯考慮不足。 對(duì)于連續(xù)梁，截面溫差對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生此內(nèi)力，該作用有時(shí)甚至超過自重和活載對(duì)梁?jiǎn)卧挠绊憽?/p>

沖擊系數(shù)、梯度溫度導(dǎo)致外部作用增加，預(yù)應(yīng)力損失導(dǎo)致主拉應(yīng)力安全儲(chǔ)備不足， 是導(dǎo)致斜向裂縫產(chǎn)生主要原因。

3 裂縫病害產(chǎn)生的原因分析

3.1 梁底橫向裂縫

(3)由于本橋施工質(zhì)量較差，永存預(yù)應(yīng)力可能存在部分損失，預(yù)應(yīng)力損失將導(dǎo)致截面壓應(yīng)力儲(chǔ)備不足。

針對(duì)同步交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器故障[11-12]，擬考慮開路故障模式，即分為3大類：正常工作模式、單管開路故障模式和雙管開路故障模式，具體見表1。

(1)實(shí)際沖擊系數(shù)較大。 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTJ021-89 中，當(dāng)跨徑≥45 m 的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋時(shí)，沖擊系數(shù)為0，但依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2004 結(jié)構(gòu)基頻計(jì)算方法計(jì)算得到?jīng)_擊系數(shù)為0.14，可見無(wú)論是舊規(guī)范還是新規(guī)范，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)(0.28)均大于規(guī)范計(jì)算值。

計(jì)算結(jié)果如表1 所示，可以看出，在考慮溫度計(jì)算模式及汽車荷載作用修正之后， 箱梁跨中下緣最小正應(yīng)力及主拉應(yīng)力均小于規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪承載能力不滿足要求，該計(jì)算結(jié)果與本橋梁底橫向裂縫、斜向裂縫大致吻合。

3.2 腹板斜向裂縫及縱向裂縫

荷載試驗(yàn)結(jié)果撓度、應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均大于1；結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)頻率小于理論頻率； 左、 右幅最大沖擊系數(shù)分別為0.2817 和0.269，均大于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定值0；因此，左、右幅均不滿足設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)的正常使用要求。

本橋箱梁截面翼緣板懸臂較長(zhǎng)， 在汽車偏載的情況下，在腹板上產(chǎn)生較大的彎矩，由于腹板較薄，抗彎剛度較弱，腹板內(nèi)側(cè)產(chǎn)生較大豎向拉應(yīng)力。腹板內(nèi)側(cè)豎向拉應(yīng)力、原結(jié)構(gòu)布置的箍筋配筋率較低、箍筋的縱向分布、保護(hù)層厚度較厚等因素綜合影響， 導(dǎo)致腹板內(nèi)側(cè)出現(xiàn)縱向裂縫；當(dāng)靠近支點(diǎn)時(shí)，由于該范圍腹板主拉應(yīng)力較大，腹板內(nèi)側(cè)豎向拉應(yīng)力與主拉應(yīng)力耦合作用， 導(dǎo)致斜向裂縫呈小于45°角分布。 對(duì)于腹板斜向裂縫及縱向裂縫的原因分析，參考文獻(xiàn)[1]通過建立有限元實(shí)體模型進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

⑥鄭石橋、劉慶堯:《〈審計(jì)法〉涉及的若干基礎(chǔ)性問題的再思考——基于十九大報(bào)告的視角》，《南京審計(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)》2018年第1期。

3.3 結(jié)構(gòu)檢算

本文采用橋梁博士V3.5 程序，按平面桿系進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。結(jié)合以上結(jié)構(gòu)病害及活載沖擊系數(shù)、活載影響修正系數(shù)、 非線性溫度的同時(shí)考慮原橋結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束永久預(yù)應(yīng)力損失。 經(jīng)試算分析， 當(dāng)腹板鋼束永久應(yīng)力損失10%、頂?shù)卒撌谰脩?yīng)力損失5%時(shí)，50 m、45.8 m 跨徑跨中截面下緣正應(yīng)力超出規(guī)范上限的范圍與外觀檢測(cè)所得的梁底橫向開裂范圍基本一致。

在更新Pareto最優(yōu)解時(shí)，將第g代所得Pareto最優(yōu)解與第g+1代個(gè)體合并，然后通過支配關(guān)系篩選出非劣解集X*。若X*集合中個(gè)體數(shù)少于Np，則將X*作為第g+1代的Pareto最優(yōu)解集；若X*集合中個(gè)體數(shù)大于Np，則采用擁擠度距離排序方法篩選出距離排在前Np的個(gè)體作為第g+1代的Pareto最優(yōu)解集。

(4)結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較低。根據(jù)靜動(dòng)載試驗(yàn)可知，無(wú)論是撓度校驗(yàn)系數(shù)，還是結(jié)構(gòu)基頻測(cè)量，均反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度小于理論剛度。之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，最主要的原因是在箱梁腹板與頂板連接處(梗掖處)存在通長(zhǎng)的施工冷縫， 由于腹板與頂板是分階段澆筑砼， 在腹板澆筑完成后，如果時(shí)間間隔過久，且交界面未進(jìn)行鑿毛處理，該位置是很容易產(chǎn)生施工冷縫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，該施工冷縫縫寬最大達(dá)4 mm，縫深超過10 cm，有的甚至貫穿腹板厚度。施工冷縫嚴(yán)重削弱了頂板與腹板之間力的傳遞，使箱梁介于組合梁與疊合梁之間，結(jié)構(gòu)整體剛度明顯減小。

4 加固方案

圖4 組合Ⅱ截面下緣正應(yīng)力(單位：MPa)

表1 檢算結(jié)果表

該橋病害較為嚴(yán)重， 承載能力極限狀態(tài)及正常使用狀態(tài)均不滿足規(guī)范要求，導(dǎo)致縱向裂縫、橫向裂縫、斜向裂縫病害產(chǎn)生，又由于施工冷縫的存在，削弱了橋梁的整體剛度，使橋梁在運(yùn)營(yíng)期間存在較大的安全隱患。因此急需采取綜合處治的加固方案。針對(duì)本橋存在的問題，本文采用腹板加厚+體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束的組合加固方法進(jìn)行加固，加固方法詳見參考文獻(xiàn)[1]，該方法是被動(dòng)加固與主動(dòng)加固結(jié)合，既提高箱梁的抗彎、抗扭剛度，加強(qiáng)箱梁斷面橫向整體性，也能改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，提高橋梁抗彎、抗剪承載力， 同時(shí)也要保證加固完之后橋梁整體結(jié)構(gòu)均能滿足承載力要求。

5 加固計(jì)算

限于篇幅，本文主要介紹縱向計(jì)算，橫向計(jì)算詳見文獻(xiàn)[1]。 腹板加厚+體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束組合加固是在既有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增大截面，再施加體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，由于本橋病害較嚴(yán)重，承載能力較低，加固過程采用在封閉交通的環(huán)境下進(jìn)行，因此，加固計(jì)算可以按在完成運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)收縮續(xù)變階段的基礎(chǔ)上增加腹板加厚及施加體內(nèi)預(yù)應(yīng)力階段。本文采用橋博軟件進(jìn)行計(jì)算， 腹板加厚部分采用橋博附加截面的方法添加， 腹板加厚部分在形成強(qiáng)度之前其自重有原結(jié)構(gòu)承受，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，施加體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，腹板加厚部分參與原結(jié)構(gòu)一起受力。

橋梁加固是在既有橋梁的基礎(chǔ)上通過各種方式改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，因此，加固設(shè)計(jì)首先得對(duì)既有結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析判斷，分析判斷的依據(jù)主要是原設(shè)計(jì)資料、竣工資料及歷史檢測(cè)維修資料， 但往往由于早期資料管理不善，部分資料缺失，加上現(xiàn)實(shí)環(huán)境因素復(fù)雜，很難對(duì)橋梁實(shí)際狀態(tài)做出準(zhǔn)確的判斷， 此時(shí)只能根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)及有限的資料進(jìn)行推測(cè)假定。 本文在對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算時(shí)， 部分計(jì)算參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或新規(guī)范進(jìn)行了調(diào)整，這些參數(shù)的調(diào)整是相對(duì)有依據(jù)的，但是對(duì)于預(yù)應(yīng)力的損失，由于依據(jù)既有的技術(shù)是沒辦法進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)際永存預(yù)應(yīng)力損失了多少是未知的， 采用假定的方法存在一定的不確定性，有可能由于預(yù)應(yīng)力損失估多了，導(dǎo)致新增預(yù)應(yīng)力過強(qiáng)而出現(xiàn)不利情況，甚至新的病害，因此，在加固計(jì)算時(shí)應(yīng)采用包絡(luò)法進(jìn)行計(jì)算，即計(jì)算上限和下限。

根據(jù)上述的計(jì)算方法及原則，得到計(jì)算結(jié)果如表2 所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，采用腹板加厚+體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束的組合加固后，箱梁結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表2 加固計(jì)算結(jié)果表

6 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行舊橋加固計(jì)算時(shí)， 一方面要對(duì)橋梁的歷史充分調(diào)查，了解其設(shè)計(jì)、施工背景，為分析橋梁病害產(chǎn)生原因提供線索，本橋設(shè)計(jì)時(shí)處于結(jié)構(gòu)優(yōu)化風(fēng)盛行時(shí)期，橋梁結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備幾乎沒有，規(guī)范對(duì)汽車沖擊、溫度荷載明顯考慮不足，施工不規(guī)范、施工質(zhì)量差也是加劇裂縫產(chǎn)生的主要原因； 另一方面要將病害分布特征與橋梁結(jié)構(gòu)受力形式結(jié)合分析， 比如箱梁腹板橫向裂縫與箱梁的橫向受力有關(guān)；最后，對(duì)于采用預(yù)應(yīng)力法加固時(shí)，應(yīng)采用包絡(luò)法計(jì)算， 避免因?yàn)檫^度假設(shè)， 導(dǎo)致加固造成新的病害產(chǎn)生，如預(yù)應(yīng)力過大，梁體上拱開裂，或者混凝土最大壓應(yīng)力超限。

該橋加固工程于2018 年9 月底完工通車，通車前荷載試驗(yàn)結(jié)果顯示該橋承載能力滿足要求， 撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1，加固效果達(dá)到預(yù)期。 根據(jù)該橋一年多的監(jiān)測(cè)情況來(lái)看， 目前運(yùn)行良好， 未發(fā)現(xiàn)新的病害及異常情況發(fā)生，表明本文采用的加固方法及計(jì)算方式是基本可行的。