組合箱梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固方法及效果跟蹤評(píng)價(jià)

高兆東

（江蘇京滬高速公路有限公司，江蘇 淮安 230005）

1 工程背景

京滬高速公路（江蘇段）2000年竣工通車(chē)，作為我國(guó)主要的交通大動(dòng)脈之一，車(chē)流量大，重車(chē)比例高，目前已運(yùn)行近20年，京滬高速90年代開(kāi)工建設(shè)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車(chē)道高速公路，橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-超20級(jí)，掛車(chē)-120，屬于較早期建設(shè)的高速公路。在定期檢查中，京滬高速（江蘇段）部分組合箱梁橋梁體出現(xiàn)不同程度的受力裂縫，且發(fā)展迅速。其中，新沂河大橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m跨徑先簡(jiǎn)支后連續(xù)的部分預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，全橋共計(jì)12聯(lián)72孔，均為6孔一聯(lián)，跨徑組成為12×（6×30）m，箱梁梁高1.5 m，上鋪5 cm厚30號(hào)防水混凝土調(diào)平層和9 cm瀝青混凝土橋面鋪裝。下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩、肋板式臺(tái)和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。典型斷面見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 新沂河大橋典型橫斷面布置（cm）

圖2 邊梁和中梁尺寸（cm）

2 加固前裂縫發(fā)展及特點(diǎn)

在橋梁定期檢查中發(fā)現(xiàn)本橋組合箱梁存在大量的腹板豎向裂縫、腹板斜向裂縫和底板橫向裂縫，且裂縫發(fā)展迅速，部分梁體兩側(cè)腹板和底板裂縫聯(lián)通形成U型裂縫，全橋各類(lèi)典型受力裂縫變化情況見(jiàn)圖3。

圖3 新沂河橋加固前典型裂縫發(fā)展（條）

表1 加固前全橋裂縫數(shù)量發(fā)展變化統(tǒng)計(jì)（條）

根據(jù)表1和圖4可知：箱梁腹板裂縫于2008年出現(xiàn)，后續(xù)迅速增長(zhǎng)；底板橫向裂縫2009年出現(xiàn)，至2010年，略有增長(zhǎng)，從2011年開(kāi)始迅速增多；腹板斜向裂縫2008年開(kāi)始出現(xiàn)，至2011年每年均有少量增加，從2011年開(kāi)始增幅也迅速提高。由此可知，全橋各類(lèi)典型受力裂縫橋從2011年開(kāi)始均大量增加，裂縫迅速發(fā)展。

圖4 第九聯(lián)中間跨2011年典型裂縫分布

橋裂縫的主要分布特點(diǎn)：（1）橋各聯(lián)均為6孔一聯(lián)，各聯(lián)邊跨（1#、6#孔）裂縫數(shù)量很少，次邊跨、中跨（2#～5#孔）均有大量裂縫。（2） 腹板豎向裂縫：左、右幅箱梁腹板均存在大量豎向裂縫，縫寬一般為0.10～0.15 mm，主要分布在L/4跨至L3/4范圍，測(cè)得縫深為50.4 mm，右幅京滬方向多于左幅滬京方向。（3）腹板斜裂縫：左、右幅箱梁腹板有少量斜向45°裂縫，裂縫深度測(cè)試為16～78.6 mm。主要分布于L/4跨至跨中，右幅京滬方向多于左幅滬京方向。（4）底板橫向裂縫：右幅京滬向箱梁底板有大量橫向裂縫，主要分布于跨中附近，間距約20～40 cm，裂縫寬度均較小，一般在0.1 mm以下。左幅滬京方向箱梁也發(fā)現(xiàn)少量橫向裂縫。

3 病害原因分析

3.1 箱梁腹板豎向裂縫與底板橫向裂縫病害原因

（1）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。由于京滬高速組合箱梁橋設(shè)計(jì)時(shí)采用的荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽-超20、掛-120，較目前最新的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中的公路-I級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)要低，箱梁的承載力和應(yīng)力儲(chǔ)備少，不滿足現(xiàn)行的規(guī)范要求，在目前實(shí)際車(chē)輛荷載作用下，箱梁會(huì)產(chǎn)生底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫的病害。（2）運(yùn)營(yíng)荷載。根據(jù)《基于WIM和SHM的新沂河大橋車(chē)輛荷載模型報(bào)告》，綜合考慮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果及車(chē)輛荷載的沖擊系數(shù)、動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的誤差（根據(jù)標(biāo)定結(jié)果按最大10%計(jì)算）等因素，新沂河大橋位處右幅實(shí)際車(chē)輛荷載為公路-I級(jí)JTG D60-2004的1.24倍，在超載的作用下，箱梁抗裂承能力不足，產(chǎn)生裂縫病害。（3）溫度效應(yīng)。組合箱梁頂板位置通過(guò)濕接縫連接成為整體，因此整體升溫對(duì)組合箱梁存在空間扭曲的影響，表現(xiàn)在整體升溫作用下，各跨的邊梁和中梁的荷載效應(yīng)相反：邊梁跨中存在0.4 MPa左右的拉應(yīng)力，而中梁跨中存在0.4 MPa左右的拉應(yīng)力。溫度梯度作用對(duì)組合箱梁的應(yīng)力影響較大，在規(guī)范規(guī)定的溫度梯度荷載作用下，箱梁跨中拉應(yīng)力達(dá)到2.54 MPa，考慮到溫度荷載沿橫橋向的梯度效應(yīng)后，箱梁跨中拉應(yīng)力值也有2.15 MPa，而成橋階段箱梁跨中壓應(yīng)力儲(chǔ)備僅在10 MPa左右，溫度梯度效應(yīng)對(duì)箱梁的安全使用影響較大。（4）預(yù)應(yīng)力施工。由于組合箱梁橋設(shè)計(jì)時(shí)按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類(lèi)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，基本控制跨中拉應(yīng)力不大于規(guī)范規(guī)定值，若鋼束存在張拉不到位的情況（即預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大），則有可能引起跨中的開(kāi)裂病害。（5）支座安裝?？紤]施工引起的支座安裝誤差，會(huì)對(duì)梁體腹板和底板帶來(lái)一定的附加應(yīng)力，降低了梁體的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。（6）施工工藝。通過(guò)對(duì)組合箱梁臨時(shí)支座的拆除順序的模擬計(jì)算，當(dāng)臨時(shí)支座拆除順序不合理的時(shí)候，對(duì)箱梁應(yīng)力會(huì)有一定程度的影響。（7）箱梁尺寸影響。箱梁尺寸對(duì)箱梁剛度影響非常大，若考慮箱梁施工誤差引起的尺寸減小，在成橋階段箱梁跨中撓度較標(biāo)準(zhǔn)尺寸的橋跨增大45%～50%。跨中反拱值的增大直接影響橋面混凝土鋪裝層的厚度，對(duì)于組合箱梁橋的安全使用存在不利的隱患?？紤]施工誤差影響減小尺寸的箱梁的裂縫發(fā)展比標(biāo)準(zhǔn)箱梁更快，但其承載力與標(biāo)準(zhǔn)箱梁相差不大，主要是因?yàn)榈装搴透拱邃摻钤诩磳⑵茐臅r(shí)承擔(dān)了主要的拉應(yīng)力，因此，在頂板尺寸不變的情況下，兩種箱梁極限承載能力差別并不太大。

3.2 腹板斜裂縫

箱梁腹板在受力中主要起到抗剪的作用，箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫，說(shuō)明是箱梁的抗剪能力不足以承擔(dān)其所真正承受的荷載。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果看，腹板斜裂縫僅在部分橋跨的部分梁上產(chǎn)生，數(shù)量較少，因此該斜裂縫產(chǎn)生的原因一方面是由于超載車(chē)輛的局部作用產(chǎn)生的，另一方面可能是該片箱梁在預(yù)制的時(shí)候，腹板的施工質(zhì)量沒(méi)有很好的控制造成的。

4 加固方案

新沂河大橋組合箱梁裂縫主要是由于箱梁的壓應(yīng)力儲(chǔ)備小，抗裂能力不足，在實(shí)際運(yùn)行荷載下，梁體產(chǎn)生開(kāi)裂并迅速發(fā)展。因此，分別于2013年、2014年對(duì)病害嚴(yán)重的部分聯(lián)跨采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了加固，加固方案見(jiàn)表2。

表2 新沂河大橋加固方案

根據(jù)對(duì)京滬高速實(shí)際通行荷載監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)上部結(jié)構(gòu)加固采用荷載標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載，即1.24倍公路-I級(jí)。

根據(jù)實(shí)測(cè)運(yùn)營(yíng)荷載下結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果，邊跨箱梁抗彎承載能力有所不足，約10%，邊跨箱梁應(yīng)力水平基本能夠滿足規(guī)范限值，而次邊跨和中跨箱梁的抗彎承載能力相差較大，約30%，梁體拉應(yīng)力水平超過(guò)規(guī)范限值較多。因此，體外束配置采用長(zhǎng)、短鋼束相結(jié)合的形式，即兩邊跨各配短束、中間四跨配通長(zhǎng)束。

加固方案：（1）第1、6 跨邊梁采用2束4Фs15.2鋼絞線，第2～5 跨邊梁采用2 束6Фs15.2鋼絞線，錨下張拉控制應(yīng)力為0.63fpk=1 171.8 MPa。（2）第1、6跨中梁采用2束4Фs15.2鋼絞線，第2～5跨中梁采用2束5Фs15.2鋼絞線，錨下張拉控制應(yīng)力為0.63fpk=1 171.8 MPa。見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 邊跨（第1、6 跨）體外預(yù)應(yīng)力加固

圖6 次邊跨（第2、5 跨）體外預(yù)應(yīng)力加固

圖7 中間跨（第3、4 跨）體外預(yù)應(yīng)力加固

5 加固后荷載試驗(yàn)結(jié)果

新沂河大橋第九聯(lián)分別于2013年6月加固前和2013年11月加固后進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，加固后靜力特性提高顯著，且邊跨加固效果優(yōu)于中跨。試驗(yàn)主要結(jié)論：（1）邊跨加固后撓度實(shí)測(cè)值普遍比加固前撓度實(shí)測(cè)值減小30%左右，第三跨（中跨）加固后撓度實(shí)測(cè)值普遍比加固前撓度實(shí)測(cè)值減小10%左右。（2）邊跨加固前最大撓度為20.98 mm，加固后最大撓度為14.18 mm，邊跨最大撓度變化率為32.4%；中跨加固前最大撓度為15.86 mm，加固后最大撓度為12.43 mm，中跨最大撓度變化率為21.6%；加固后應(yīng)變實(shí)測(cè)值普遍較加固前減小約20%，其中邊跨加固后減小幅度普遍優(yōu)于中跨。（3）邊跨和中跨最大應(yīng)變值均由550左右減小為300左右，減小幅度接近50%。（4）外觀檢查、汽車(chē)荷載試驗(yàn)以及相關(guān)分析計(jì)算表明：加固后靜載撓度有較大幅度的減小，原先裂縫區(qū)域的應(yīng)變值也大幅度減小。說(shuō)明加固后，新沂河大橋裂縫得到了有效控制，其承載力能夠滿足加固設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載等級(jí)要求。見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 第九聯(lián)第1跨跨中撓度對(duì)比

圖9 第九聯(lián)第3跨跨中撓度對(duì)比

6 加固后跟蹤檢測(cè)結(jié)果

在2013年加固后，對(duì)新沂河大橋每年進(jìn)行定期檢查，同時(shí)2017年進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)檢查，病害最嚴(yán)重的右幅第九聯(lián)檢測(cè)結(jié)果：

（1）外觀檢查。本聯(lián)2013年進(jìn)行加固，加固前典型受力裂縫從2008—2013年迅速增長(zhǎng)，2013年對(duì)原有裂縫封閉處理并采用體外預(yù)應(yīng)力加固。加固后，腹板豎縫、斜縫及底板橫縫均未再有新增出現(xiàn)，說(shuō)明體外預(yù)應(yīng)力加固對(duì)限制裂縫的發(fā)展起到了很好的效果，見(jiàn)圖10。

圖10 第九聯(lián)典型受力裂縫數(shù)量發(fā)展變化（條）

（2）模態(tài)測(cè)試結(jié)果。新沂河大橋2013年加固前后，先后于2013年6月和2013年11月對(duì)右幅第九聯(lián)進(jìn)行了環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn),通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率比對(duì)，檢驗(yàn)橋梁加固效果，2017年再次對(duì)右幅第9聯(lián)的基頻進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3?？芍?，新沂河大橋右幅第九聯(lián)加固前實(shí)測(cè)基頻2.87 Hz，加固后提高到3.418 Hz，說(shuō)明體外預(yù)應(yīng)力加固提高了結(jié)構(gòu)的剛度，四年后（2017年10月）結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)基頻3.37，頻率略有減小，減小約1.4%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)基頻基本無(wú)明顯變化，加固效果良好。

表3 新沂河大橋右幅第9聯(lián)加固前后實(shí)測(cè)動(dòng)力特性對(duì)比

通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，組合箱梁通過(guò)體外預(yù)應(yīng)力加固之后，能夠很好的限制裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，預(yù)應(yīng)力鋼束錨固性能穩(wěn)定，能夠?yàn)榱后w持續(xù)穩(wěn)定地提供相應(yīng)的預(yù)加應(yīng)力，梁體狀況目前良好，說(shuō)明已達(dá)到預(yù)期的加固效果。

7 結(jié)語(yǔ)

體外預(yù)應(yīng)力加固適于橋梁結(jié)構(gòu)病害發(fā)展迅速，結(jié)構(gòu)有較大安全隱患時(shí)采用，對(duì)于病害發(fā)展緩慢的橋梁，可以采用粘貼鋼板、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固等方式。新沂河大橋加固前病害發(fā)展迅速，對(duì)高速公路的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)很大的安全隱患，通過(guò)采用體外預(yù)應(yīng)力加固，對(duì)其加固后的效果采用荷載試驗(yàn)，并歷經(jīng)數(shù)年使用后的跟蹤檢測(cè)結(jié)果表明，體外預(yù)應(yīng)力加固可以很好的限制組合箱梁裂縫發(fā)展，為橋梁安全運(yùn)營(yíng)提供保障。