大跨度連續剛構橋的病害原因分析及加固設計

李 輝

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

某高速公路(86+160+86)m預應力混凝土連續剛構橋，左右線分幅設置，每幅均采用單箱單室直腹板箱形截面。箱梁頂板寬15.75 m，底板寬8.1 m;跨中梁高2.5 m，腹板厚0.5 m，底板厚0.3 m;根部梁高9.0 m，腹板厚0.7 m，底板厚1.0 m。剛構主墩采用雙肢薄壁墩，厚度1.5 m，墩高分別為17 m和22 m。邊墩采用板式墩，厚度2.0 m。全橋立面形式見圖1。

圖1 全橋立面(單位:m)

本橋箱梁采用三向預應力體系。

該橋經過5年多運營后，出現橋面下撓現象。并在隨后的外觀檢查中發現剛構中跨跨中區域梁體底板及腹板開裂嚴重，中跨跨中底板橫向裂縫寬度在0.15～0.3 mm，最大裂縫寬達0.5 mm;腹板出現斜裂縫，主要分布在邊跨現澆合龍段和中跨(0.3～0.45)L、(0.55～0.70)L位置，最大裂縫寬0.45 mm;中跨跨中最大下撓度20 cm左右。

2年后再次對梁體進行了外觀檢測。根據最新檢測報告，在左幅橋一側墩頂箱室內發現了1條橫向通長裂縫，裂縫最大寬度為0.8 mm;其他墩頂箱室的倒角位置均存在較短的縱向及橫向裂縫，部分裂縫向頂板或腹板延伸，裂縫長度在0.5～1.5 m，裂縫寬度在0.25 mm以內。跨中撓度進一步增加3～5 cm;中跨跨中附近底板裂縫寬度進一步擴展、長度繼續延伸;邊跨及中跨的腹板斜裂縫也存在擴展與延伸。

特別引起關注的是主墩墩頂部位的梁體裂縫，這種裂縫在同類橋梁結構中比較罕見，說明本橋已嚴重偏離設計狀態，橋梁的承載能力嚴重降低。因此，需立即對該連續剛構進行加固。

2 病害原因分析與加固思路

目前，對于造成剛構橋上述病害的確切原因尚需進一步驗證，但針對本橋具體情況并結合國內外的其他出現質量問題的預應力連續剛構橋，可以初步認定以下幾個主要原因:

(1)本橋為附近港口大型貨運車輛進出城市的唯一通道，每天車流量在10萬輛、大型超載車輛在2萬輛左右，超載嚴重，引起并加速、加劇了病害的發展［1］;

(2)豎向預應力損失過大引起主拉應力超限，從而導致混凝土腹板出現斜裂縫［2］，經統計此項病害已出現在國內多座建成通車的連續剛構橋中;

(3)節段懸澆工期過短，徐變變形、全橋縱向預應力損失大，導致結構預應力度大幅降低［3］，造成跨中下撓及腹板、下翼緣板開裂。

本橋為懸臂現澆施工的預應力混凝土連續剛構橋，中墩墩頂主梁負彎矩區是全橋的關鍵受力部位。針對全橋縱向預應力損失及徐變變形過大、主拉應力超限這兩個病害的主因，加固的重點應放在通過施加體外預應力鋼束來恢復全橋的縱向預應力上，同時對裂縫發展嚴重部位或由于施加體外預應力而引起強度不足的部位采取粘貼鋼板等措施補強，限制裂縫發展，提高箱梁結構的承載能力。

3 加固設計

3.1 包絡設計原則

由于本橋病害嚴重，橋梁結構的真實狀態難以檢測，為確保結構安全，按以下3種可能的極端狀態進行包絡設計:

狀態一，橋梁全部縱向預應力筋處于設計狀態;

狀態二，根據其他類似橋梁加固設計經驗，考慮全橋縱向預應力損失10%～15%;

狀態三，中跨跨中底板預應力鋼束應力損失一半，其余縱向預應力損失5%。

3.2 采用的加固技術

(1)體外預應力加固法

將體外預應力技術應用于連續剛構橋的加固，為提高連續剛構橋承載能力提供了較好的解決途徑。體外預應力的施加會使箱梁斷面混凝土的壓應力儲備增加，對裂縫的產生和發展起到抑制作用，同時會提高結構的承載能力［4］。

本橋加固設計中每幅橋共布置26束體外束，其中通長束4束、中跨束6束，中支點短束每側各8束，具體布置形式見圖2。體外束均為兩端張拉。中支點短束采用12-7φ5鋼絞線，通長束和中跨束采用31-7φ5鋼絞線。其中通長束單根長336 m，錨下控制張拉力4 440 kN。

圖2 體外預應力鋼束布置

體外預應力鋼束采用外加PE護套的環氧涂層鋼絞線，鋼絞線的抗拉強度標準值為1 860 MPa，彈性模量為1.90×105MPa，錨下張拉控制應力為預應力筋采用分級張拉，每級張拉力不超過總張拉力的25%。

體外預應力筋為空間曲線，其轉向通過轉向器實現，錨固通過錨固塊實現。為防止橋面行車引起鋼束過大振動，沿體外索縱向每隔8 m左右設置1道防振限位裝置。

為方便與原結構的連接，所有錨固裝置和轉向裝置均采用混凝土結構，通過植筋的方式與原梁體結構結合在一起共同受力。考慮箱內空間狹小，振搗困難，本加固工程所用混凝土均采用自密實補償收縮混凝土［5～6］。

由于本橋預應力筋張拉力較大，通過局部應力分析可知在錨固區域會產生非常大的局部應力。為保證結構安全可靠，設計中在局部細節構造上做如下處理。

①端隔板。體外索中有4束通長束錨固于梁端橫隔板處。為保證體外預應力可靠傳遞，在端橫隔板后箱梁內側植筋，加澆1.25 m厚C50自密實混凝土。

②頂板錨固區。頂板錨塊位置局部應力較大，為避免錨后區混凝土開裂，將錨后2.5 m范圍內頂板、腹板局部加厚。

③中支點短束錨固區。中支點短束錨固位置受力較為復雜，為增加錨固可靠性，減少頂板局部應力，在錨固處增設1 m厚橫隔板。

(2)粘貼(灌注)鋼板加固法

采用環氧樹酯系列粘結劑將鋼板粘貼(灌注)在鋼筋混凝土結構物的受拉緣或薄弱部位，使之與原結構物形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結構的鋼筋及混凝土的應力狀態，限制裂縫的進一步發展，從而達到加固補強、提高橋梁承載能力的目的［7］。

主要應用于中跨跨中底板開裂區和中跨跨中及邊跨梁端腹板開裂區。

(3)增大截面加固法

增大截面法是通過增大構件的截面和配筋，用以提高構件的強度、剛度、穩定性，防止開裂［8］。

由于體外預應力鋼束的作用，剛構雙薄壁墩和承臺受力增加，原結構配筋無法滿足增大后的受力要求，因此在中墩墩頂、墩底、承臺頂面采用增大截面法進行補強。

綜上所述，本橋加固以體外預應力加固為主，同時與其他兩種加固技術有機結合，并配合采用了橋面鋪裝改造、裂縫封閉與注漿［9］、對梁體表面缺陷進行修補等輔助措施，以實現可靠、耐久的加固效果。

4 主要計算結果

對體外索的計算主要分為兩步:第一步，初始狀態模擬;第二步，在模擬狀態一、二、三下增加體外索。

4.1 計算模型

橋梁上、下部結構均采用平面桿系單元。考慮到施工的實際情況并結合最新橋梁檢測報告，對原結構自重、混凝土的加載齡期和收縮徐變系數等進行了相應調整，并在計算中增加了由于橋梁加固而增加的結構重力。

4.2 初始狀態模擬

通過調整有效預應力和折減跨中部分單元的抗彎剛度，對中跨跨中撓度進行試算，與實測撓度相比，推算橋梁的初始狀態。

通過試算，檢算下述兩種情況時中跨跨中撓度:

(1)當跨中3個節段單元抗彎剛度降為30%，預應力損失達到15%時，成橋后中跨跨中計算下撓值為201.5 mm，與實際下撓值相吻合;

(2)當跨中3個節段單元抗彎剛度降為30%，中跨跨中底板束損失50%，其余預應力束損失達到5%時，成橋后中跨跨中計算下撓值為171.6 mm，與實際下撓值接近;

由此推斷本橋梁加固前的實際受力狀態即為加固設計狀態二和狀態三的初始狀態。

考慮到張拉通長束后，跨中裂縫閉合，截面剛度恢復，故加固總體計算時剛度采用0.8EI更接近實際加載狀態，因此全橋縱向計算時采用剛度折減20%作為狀態二與狀態三的初始狀態。

4.3 加固設計計算結果(表1、表2)

根據上述模擬的初始狀態，通過體外預應力索的張拉，在恒載作用下跨中下緣的壓應力儲備在最不利的狀態三時仍可達4.2 MPa，跨中截面受力狀況得到較大改善。在運營荷載作用下整個結構基本上恢復至部分預應力混凝土A類狀態。

表1 各工況梁體截面控制應力 MPa

表2 體外預應力鋼束控制應力 MPa

由表2可以看出，各受力狀態最不利工況下的鋼束應力均不超過且最大鋼束應力幅僅為8.37 MPa。

體外索的張拉不會使箱梁豎向下撓度完全恢復。本橋張拉體外索后，中跨跨中僅上拱58 mm，與目前本橋已發生的跨中撓度相差較大。

4.4 加固效果綜合分析

橋梁加固后，雖然梁體撓度難以恢復原設計狀態，但各截面的承載能力極限狀態與正常使用極限狀態均滿足原設計規范要求。

5 施工監控

用體外預應力加固連續剛構橋是一個系統工程，由于箱梁內缺陷和損傷的存在，其內力和應力已經發生了重分配，結構的強度和剛度難以準確把握，本設計只能通過現有的檢測數據和原始設計資料推斷結構目前的受力狀態，而當前狀態推斷的準確與否直接影響到加固措施的實施。因此在加固施工過程中應采取有效的監測措施來確保結構的安全［10］，主要監控內容包括主梁應力監控、錨固點與轉向點局部應力監控，中墩墩頂、墩底應力監控，張拉過程中裂縫監控，主梁撓度監控，中墩墩頂位移監控，梁端縱向變形監控，支點反力監控等。通過對施工過程的全程監測監控，各階段加固過程中的應力、位移同設計計算基本一致，驗證了設計計算的準確性。

6 結語

該橋已于2008年完成了加固施工。根據施工過程中的監測結果，該橋在加固過程中各主要控制截面應力變化與理論分析值基本吻合，體外預應力張拉對裂縫產生了明顯的閉合效應，增大了跨中截面的壓應力儲備，邊跨和中跨跨中均產生了一定程度的上拱，由于裂縫的閉合效應使中跨、邊跨跨中實際上拱度(中跨跨中上拱約9 cm)略大于理論計算值，整個施工過程結構受力符合設計預期的加固效果。

通過加固前后荷載試驗對比情況分析，進一步驗證了施加體外預應力與粘貼鋼板使開裂截面局部受力狀態明顯改善，結構剛度有了較大提高，該橋所采用的加固措施是合理而有效的，對今后類似工程具有借鑒意義。

［1］馬 健.三門峽黃河公路大橋的主橋加固［J］.公路，2004(6):62-64.

［2］湯 誕，翟曉春.連續剛構梁橋主要病害原因分析［J］.山西建筑，2010(2):321-322.

［3］施順濤.淺議預應力混凝土連續剛構加固設計方法［J］.鐵道標準設計，2007(8):64-66.

［4］李宏江，李萬恒，程壽山，王歧峰，李 湛.體外預應力在某連續剛構橋加固中的應用及其效果分析［J］.鐵道標準設計，2004(12):48-51.

［5］中華人民共和國建設部.GB50119—2003 混凝土外加劑應用技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［6］CECS203:2006 自密實混凝土應用技術規程［S］.

［7］蔣新婷.粘貼鋼板法在舊橋加固中的應用［J］.山西建筑，2007(6):310-311.

［8］陳 佳，趙金云.連續剛構常見的加固方法［J］.中國水運，2009(8):209-210.

［9］GB50367—2006 混凝土結構加固設計規范［S］.

［10］呂梅梅.華南大橋的加固設計與施工［J］.中國市政工程，2007(2):25-27.