某變截面連續(xù)箱梁橋病害分析與加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

胡承澤

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430000）

1 工程概況

為保障橋梁的安全運(yùn)營(yíng)及結(jié)構(gòu)耐久性，需要長(zhǎng)期對(duì)結(jié)構(gòu)物的安全性能進(jìn)行觀察，本文以某橋?yàn)檠芯繉?duì)象并展開分析。該橋?yàn)?跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁全長(zhǎng)為150m，橋梁布跨為39m+72m+39m。單幅橋面寬為15.75m；橋面縱坡為＋1.15%；設(shè)計(jì)車速為120km/h。該橋的形式為連續(xù)剛構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)為三向預(yù)應(yīng)力的單箱單室形式，箱梁的施工工藝是掛籃懸臂澆筑，該橋的箱梁頂部寬度的是15.75m，底部寬度是8.0m，支點(diǎn)處梁高是3.8m，跨中的梁高是2.0m。箱梁采用標(biāo)號(hào)為C50的混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力筋采用ASTM416-87a，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線。下部構(gòu)造主墩采用雙壁雙柱鉆孔的樁基礎(chǔ)。主墩墩身采用標(biāo)號(hào)為C40的混凝土，樁基采用標(biāo)號(hào)為C25的混凝土。

2 主要病害類型及成因分析

該橋于1997年竣工，運(yùn)營(yíng)多年來，主要的病害有箱梁腹板斜向開裂、箱梁頂板下表面的順橋向裂縫和墩頂橫隔板的豎向裂縫。形成病害的主要因素，分析如下。

2.1 箱梁腹板裂縫

箱梁橋出現(xiàn)腹板斜裂縫可能是多種因素綜合作用的結(jié)果。一般包括箱梁內(nèi)外的溫度差較大出現(xiàn)了溫度梯度、箱梁縱向和豎向的預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重?fù)p失、橋面活載出現(xiàn)超載、混凝土在長(zhǎng)期使用過程中出現(xiàn)的收縮徐變以及施工過程中產(chǎn)生的誤差等諸多因素。在這些因素的綜合作用下，箱梁腹板的主拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。因此，箱梁出現(xiàn)了斜裂縫。

2.2 箱梁翼板及頂板裂縫

車輛輪載作用是箱梁翼板及頂板產(chǎn)生裂縫的主要原因。在跨徑較大的橋梁中，超重軸載對(duì)頂板橫向的影響比縱向更大，主要原因是橋梁自重占縱向彎矩的絕大部分，而活載是橫向彎矩的主要貢獻(xiàn)者。當(dāng)荷載軸重超過規(guī)范值時(shí)，或者橫向配筋及實(shí)際橫向預(yù)應(yīng)力不足，箱梁翼板及頂板就很容易產(chǎn)生裂縫。

其次，混凝土的收縮也易產(chǎn)生此類裂縫。該類裂縫常出現(xiàn)的位置是在節(jié)段懸臂澆筑混凝土箱梁的節(jié)段分界部，縱向裂縫經(jīng)常出現(xiàn)在節(jié)段的接縫處，并且會(huì)沿著混凝土齡期較小的節(jié)段進(jìn)行延伸，但縱向裂縫的延伸長(zhǎng)度通常不會(huì)超過另一節(jié)段接縫處。這種縱向裂縫是在節(jié)段懸臂澆筑混凝土箱梁施工過程中新舊混凝土之間的溫度收縮產(chǎn)生的，新澆筑節(jié)段的混凝土的溫度收縮受到已建成節(jié)段混凝土箱梁的約束，因此，會(huì)沿著節(jié)段接縫處出現(xiàn)縱向裂縫，然而縱向的裂縫通常不會(huì)超過本段箱梁。這是部分頂板縱向裂縫、腹板水平裂縫及翼板縱向裂縫的產(chǎn)生原因。

2.3 橫隔板裂縫

首先，車輛活載。箱梁橫隔板的重要功能就是增強(qiáng)箱梁的抗扭性能。當(dāng)汽車活載偏心加載時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大扭矩，結(jié)構(gòu)扭矩則會(huì)導(dǎo)致箱梁橫隔板內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，如果產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過橫隔的混凝土抗拉強(qiáng)度就會(huì)造成裂縫。

其次，箱梁溫度梯度的影響、箱梁內(nèi)外溫差及混凝土的收縮等均能在橫隔板產(chǎn)生一定次應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫。

另外，橫隔板下方的人孔銳角部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而引起橫隔板孔洞周圍的放射狀裂縫和孔洞之間的豎向裂縫。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 橋梁應(yīng)力與撓度驗(yàn)算

橋梁的靜力荷載試驗(yàn)[1～3]是測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載的作用下產(chǎn)生的變形和內(nèi)力，從而判別橋梁結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作狀下是否能達(dá)到了設(shè)計(jì)的期望值。它可以測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能，如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，是一種直接且有效的技術(shù)方法。

本文上部結(jié)構(gòu)主梁采用MIDAS CIVIL對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，主要進(jìn)行了加固前驗(yàn)算，并對(duì)跨中剛度不足進(jìn)行了損傷模型計(jì)算。有限元計(jì)算是將主梁結(jié)構(gòu)離散為139個(gè)節(jié)點(diǎn)和130個(gè)單元，如圖1所示。材料參數(shù)為：上部結(jié)構(gòu)主梁采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土。箱梁縱向預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉時(shí)采用雙控法，張拉的控制應(yīng)力為1 395MPa，豎向預(yù)應(yīng)力筋采用25.0mm精扎螺紋鋼筋，縱橋向間距為50cm，橫向每個(gè)腹板布設(shè)的張拉控制力為331kN。計(jì)算參數(shù)及荷載組合：混凝土自重26kN/m3；收縮徐變，按9年3 285d考慮；支座沉降2cm；汽車荷載取汽車—超20、掛車—120級(jí)；其中汽車荷載按照橫向4車道加載，折減系數(shù)為0.67；掛車荷載作為特載，僅在橋梁中心線上布置單列荷載，且考慮橫向偏載系數(shù)1.15；溫度效應(yīng)：整體升降溫按20℃考慮。梯度溫度：頂板升降溫5℃考慮。

圖1有限元模型

在最不利荷載組合作用下，采用有限元模型對(duì)該橋的正應(yīng)力、主應(yīng)力和撓度進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果總結(jié)如下：（1）承載能力極限狀態(tài)，在最不利荷載的組合作用下，正截面的抗彎承載力均大于作用組合，滿足JTJ 023—1985《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“85規(guī)范”）要求。（2）正常使用的極限狀態(tài)，在最不利荷載的組合作用下，截面的正應(yīng)力小于規(guī)范限值，滿足85規(guī)范要求，最大主拉應(yīng)力均小于規(guī)范限值，滿足85規(guī)范要求；以汽車、掛車荷載（不計(jì)沖擊力）計(jì)算的最大撓度也小于規(guī)范限值，滿足85規(guī)范要求。

3.2 損傷模型復(fù)核驗(yàn)

依據(jù)該橋的實(shí)際調(diào)查的交通量（2018年7月～2019年7月）年數(shù)據(jù)，典型代表交通量Qm/設(shè)計(jì)交通量Qd＜1.3，查JTGT J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》，活載修正系數(shù)取

荷載組合85規(guī)范體系組合Ⅰ：恒載+汽車2；組合Ⅱ：恒載+汽車+支座沉降+溫度影響力3；組合Ⅲ：恒載+掛車。其中，組合Ⅲ掛車作為特載，僅考慮單列掛車，并考慮1.15的橫向偏載系數(shù)。二期恒載：經(jīng)過多年的運(yùn)營(yíng)，該橋橋面現(xiàn)澆層進(jìn)行了更換，包括人行道欄桿、分隔帶護(hù)欄、懸臂板及橋面鋪裝層總量，合計(jì)為109.8kN/m；溫度荷載：整體升降溫按20℃考慮。梯度溫度：按JTG D 62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“04規(guī)范”）體系所推薦的豎向日照溫差基數(shù)（T1=25℃，T2=6.7℃）。

有損傷模型的建立依舊采用MIDAS CIVIL對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，且在原設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上對(duì)跨中截面剛度進(jìn)行折減驗(yàn)算。按照設(shè)計(jì)單位提供左幅橋原有預(yù)應(yīng)力損失30%，對(duì)原張拉控制應(yīng)力折減0.7倍，為976.5MPa；對(duì)體外預(yù)應(yīng)力損失取10%，即對(duì)體外張拉控制應(yīng)力折減0.9，為920.7MPa。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，將左右幅橋假設(shè)為相同的結(jié)構(gòu)，在預(yù)應(yīng)力損失的基礎(chǔ)上，分別建立損傷模型和無(wú)損傷模型荷載，采用試驗(yàn)檢測(cè)荷載6輛30t，其中橫向并排擺3輛車，縱向1輛車，汽車前軸軸重60kN，兩后軸軸重120kN，布置2列，縱向間距6.2m，其中一輛車后軸作用在跨中截面位置，本文僅列有損傷模型的計(jì)算結(jié)果，如圖2所示。

圖2結(jié)構(gòu)位移變形圖（有損傷模型）

“有損傷模型”與“無(wú)損傷模型”在相同荷載作用下，中跨跨中最大撓度值為16mm和12mm，與實(shí)測(cè)值基本一致。在85規(guī)范體系下驗(yàn)算結(jié)果總結(jié)如下：

1）在對(duì)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力折減30%，體外預(yù)應(yīng)力折減張拉控制應(yīng)力10%，計(jì)算結(jié)果表明，在荷載最不利組合Ⅱ下，跨中下緣最大拉應(yīng)力為0.7MPa。

2）考慮預(yù)應(yīng)力損失后，對(duì)施工接縫處單元進(jìn)行剛度折減后，經(jīng)計(jì)算，有損模型與無(wú)損模型計(jì)算結(jié)果與左右幅橋荷載試驗(yàn)撓度差別相吻合，可以判定施工接縫開裂是該左幅橋剛度偏低與右幅橋剛度差異較大的原因。

4 加固維修方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

采取及時(shí)有效的措施對(duì)橋梁存在的質(zhì)量病害進(jìn)行修復(fù)，不僅可以保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和外形美觀，還有可以有效提升橋梁工程質(zhì)量。根據(jù)該橋的具體病害以及計(jì)算結(jié)論對(duì)該橋進(jìn)行加固維修，具體方案如下。

4.1 主梁節(jié)段接縫補(bǔ)強(qiáng)及箱梁表觀缺陷維修

橋梁出現(xiàn)的裂縫若不能及時(shí)解決，則后期整個(gè)路況都會(huì)因?yàn)榱芽p處于癱瘓的狀態(tài)，及時(shí)有效地采用橋體裂縫處理技術(shù)才能控制和降低維修的難度和成本。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)常采用的一些基本技術(shù)主要包括噴涂技術(shù)、注漿技術(shù)以及表面處理技術(shù)等，這些在某種程度上都可以有效地緩解裂縫發(fā)展。例如，表面處理技術(shù)就是順著橋梁裂縫的縫隙方向噴涂防水材料，使其在噴灑的表層形成防水保護(hù)層，起到修復(fù)與延緩橋梁裂縫的作用。一般情況下，維修工作者會(huì)依據(jù)裂縫的大小來判斷能否可以采用表面處理工藝，如果橋梁上的縫隙過大，就必須采用注漿工藝，從而保證裂縫及時(shí)被處理且可以更好地連接開裂的節(jié)段接縫。

對(duì)開裂的節(jié)段接縫，采用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行灌漿封閉處理。對(duì)不密實(shí)的節(jié)段接縫，應(yīng)鑿除表層浮漿和不密實(shí)混凝土，用環(huán)氧砂漿填補(bǔ)。箱外局部病害采取鑿除疏松混凝土，用環(huán)氧砂漿修復(fù)缺陷。

4.2 對(duì)左幅橋體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)張拉

鑒于該橋存在中跨跨中施工接縫開裂、豎向剛度不足及橋面下凹的情況，對(duì)前期所施加的跨中體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)張拉，補(bǔ)張拉幅度擬在原有應(yīng)力基礎(chǔ)上提高10%。右幅橋體外預(yù)應(yīng)力暫不進(jìn)行補(bǔ)張拉。設(shè)置加固模型對(duì)以上加固方式進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)束進(jìn)行補(bǔ)張拉，跨中拉應(yīng)力0.7MPa提高為0.2MPa的壓應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4.3 中跨跨中底面粘縱向鋼板條

擬提出以下2種方案：方案一：箱梁中跨跨中箱外底板粘貼縱向鋼板帶；方案二：箱梁中跨跨中底板內(nèi)外表面對(duì)拉粘貼鋼板。加固維修施工流程：（1）深入詳細(xì)地查明箱梁裂縫及缺陷的數(shù)量和分布情況→（2）開裂段接縫的壓漿封閉處理和表面缺陷修復(fù)狀況[可與（1）同步進(jìn)行]→（3）分批補(bǔ)張拉體外預(yù)應(yīng)力束→（4）粘貼鋼板[4，5]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過工程實(shí)例對(duì)變截面連續(xù)箱梁橋的病害進(jìn)行分析，采用有限元軟件對(duì)橋梁截面的抗彎、抗壓和撓度進(jìn)行了驗(yàn)算，對(duì)該橋梁提出了加固方案。本文的研究可以為以后變截面橋梁的病害分析以及加固方案提供有效的參考。