裝配式預應力砼箱梁橋病害分析與加固研究?

牟友兵，鄭西璐，黃海珊，王達

（1.四川公路橋梁建設集團有限公司，四川成都 610071；2.陜西西禹高速公路有限公司，陜西西安 710054；3.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

?

裝配式預應力砼箱梁橋病害分析與加固研究?

牟友兵1，鄭西璐2，黃海珊3，王達3

（1.四川公路橋梁建設集團有限公司，四川成都 610071；2.陜西西禹高速公路有限公司，陜西西安 710054；3.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

摘要：隨著交通量及車輛荷載等級的增加，加上營運環(huán)境的變化及結構本身的自然老化和退化等影響，裝配式預應力砼箱梁橋普遍出現(xiàn)腹板裂縫、底板縱縫等病害。文中從截面尺寸、材料性能和支撐形式等參數(shù)入手，對箱梁裂縫病害類型及產生原因進行分析，并采取主動加固和被動加固相結合的綜合加固法進行處治。

關鍵詞：橋梁；預應力砼箱梁橋；病害成因；加固方法；應力；撓度

裝配式預應力砼箱梁由于具有施工安全性高、整體性好、質量易控、工期短、造價低等良好的社會經(jīng)濟效益，從20個世紀80年代末開始就被廣泛運用于橋梁建設中。目前，在國內外高速公路建設中，其已成為絕大部分橋梁結構的首選。迄今為止，中國修建的裝配式預應力砼箱梁橋已達萬座。

對于早期修建的橋梁，因其施工建造技術水平相對落后，運營期的養(yǎng)護管理不到位，加之近年交通量激增、車輛荷載的增加及結構本身的自然老化等眾多因素的不斷相互作用，多數(shù)出現(xiàn)不同程度的損傷和病害。針對以上不利因素，業(yè)內已開始對各種病害開展分析及加固，并取得了一系列研究成果。而針對裝配式預應力砼箱梁病害及加固的系統(tǒng)性研究并不多見。鑒于此，該文根據(jù)實際工程，對該類型橋梁的病害及加固措施進行分析研究，提出合理的加固方法。

1　箱梁橋病害及成因分析

對于裝配式預應力砼箱梁橋，砼裂縫是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”。根據(jù)產生裂縫的部位和外觀不同，對其主要病害進行分類（見表1）。其中：腹板斜裂縫大致分布于1/8跨和3/4跨之間，且沿跨中左、右兩側對稱分布，和水平面的夾角為15°～50°；底板橫向裂縫大致分布于跨中或1/4跨區(qū)域，沿著截面橫向不斷延伸；砼翼板底部在負彎矩較集中的墩頂?shù)?/3跨區(qū)域極易產生橫向裂縫；在跨中翼板底面也存在部分裂縫，且多集中分布于支點截面附近，沿橫向延伸，大致與箱梁中心線垂直。

表1　裝配式預應力砼箱梁常見病害及產生原因

如表2所示，由于設計理念差異及不同荷載等級，不同時期20 m箱梁結構尺寸及鋼筋配束存在較大差異。為確定已建橋梁病害的產生原因，需深入分析橋梁所用標準圖所處的時期，弄清楚其設計方法及設計思路。伴隨交通事業(yè)的不斷發(fā)展，交通量激增，加上車輛超限超載和外界條件的變化及后期維護管理不善，在早期標準圖基礎上建造的先簡支后連續(xù)預應力砼組合箱梁均不同程度地產生病害。因工期、施工質量等原因，近期新建的先簡支后連續(xù)預應力砼組合箱梁橋也經(jīng)常出現(xiàn)各類問題，個別橋梁在尚未通車時即出現(xiàn)嚴重病害，影響整體工程進展。

表2　不同階段20 m箱梁標準圖結構尺寸對比

2　梁橋加固方法

有關研究表明，早期修建的裝配式預應力砼箱梁橋普遍存在主梁剛度不足，腹板、底板出現(xiàn)大量裂縫等嚴重影響橋梁結構安全的病害，需對結構采取合理的加固措施，抑制病害的繼續(xù)發(fā)展，提高原結構的承載能力。

橋梁結構因其自重過大，需采用帶載加固。在承擔荷載的分配上，原梁承受因原結構自重等先期恒載引起的內力，活載（汽車、風）等后期荷載則由加固后的組合截面承擔，加固設計計算需計入分階段受力等影響。這是橋梁加固設計異于一般結構設計的主要特點。

加固病害構件的方法很多，根據(jù)工作性質，可分為直接加筋類被動加固和施加預應力的主動加固。目前所采用的被動加固方法無論在工藝還是技術上均已成熟。為了實現(xiàn)加固材料的主動受力，充分發(fā)揮加固材料的受力性能，宜將被動加固轉化為主動加固，對后加補強材料施加預應力，將其轉化成預應力加固體系，利用預應力的主動受力，從根本上解決后加補強材料的應變（應力）滯后，增強后加補強材料的利用效益，以極少的消耗達到最佳加固效果。

3　工程實例應用研究

3.1工程概況

某高速公路上一座穿越城區(qū)的高架橋，上部結構為二聯(lián)8×20 m預應力砼連續(xù)箱梁+（21.78+ 32+21.78）m鋼筋砼連續(xù)剛架+三聯(lián)8×20 m連續(xù)箱梁+一聯(lián)9×20 m連續(xù)箱梁+（21.78+32+ 21.78）m鋼筋砼連續(xù)剛架+二聯(lián)9×20 m連續(xù)箱梁，下部結構為柱式墩、埋置式橋臺和鉆孔灌注樁基礎。該橋至今已運營13年。

經(jīng)檢測評定，該橋技術狀況評定等級為四類。為確保橋梁的運營安全，延長橋梁使用壽命，對該橋進行全面維修加固。

3.2病害現(xiàn)象及原因

根據(jù)檢測和荷載試驗結果，該橋運營過程中主要受荷構件出現(xiàn)顯著缺陷，主要表現(xiàn)在：橋面在墩頂部位出現(xiàn)橫向裂縫，翼板在墩頂部位出現(xiàn)開裂；各工況下墩頂截面主要測點的應變測值偏小，明顯低于其他控制截面，而這些是墩頂負彎矩連接失效的特征表現(xiàn)。在左幅1#、23#、70#墩頂處橋面鋪裝層橫向開裂部位進行取芯檢測，結果表明：墩頂部位瀝青砼鋪裝層和水泥砼鋪裝層完全開裂；梁端接頭處上部出現(xiàn)明顯開裂，縫寬大于0.30 mm（見圖1）。

圖1　瀝青砼鋪裝層完全開裂

墩頂部位的連接處部分失效，使主梁不能按原設計的連續(xù)梁模式傳遞彎矩，橋梁受力模式發(fā)生變化，這是該橋病害產生的主要原因。在該受力模式下，橋梁邊跨、中跨實際彎矩均比原設計預期有所增大，導致主梁產生顯著的受力裂縫。由于經(jīng)常性地超載運營，橋梁裂縫發(fā)展迅速。

復查原結構圖紙，發(fā)現(xiàn)原結構墩頂連續(xù)位置縱向兩片箱梁配筋率不足，無法真正達到完整“連續(xù)梁”的受力模式，且該橋中、邊跨箱梁的一般構造及配筋完全一樣，這是該橋邊跨箱梁病害較為嚴重的一個重要原因。對比各階段箱梁標準圖，連續(xù)端應為全斷面連續(xù)，但該橋僅有部分端頭的連續(xù)端位置連接較好，其他位置均未連接（見圖2）。

圖2　墩頂位置連續(xù)端構造

3.3加固方法及效果分析

在相同荷載組合作用下對該橋原連續(xù)結構和退化為簡支梁后結構的彎矩進行計算，得到彎矩包絡圖（見圖3、圖4）。

圖3　連續(xù)梁彎矩包絡圖（單位：k N·m）

圖4　簡支梁彎矩包絡圖（單位：k N·m）

根據(jù)該橋主要病害特征，加固設計的主要目的是恢復該橋連續(xù)端墩頂?shù)摹斑B續(xù)狀態(tài)”，使加固后的橋梁受力模式盡可能接近于原設計連續(xù)梁受力模式，尤其是減小邊跨的內力分配，從而提高其安全儲備，使其處于安全運營狀態(tài)。

圖5　預制箱梁梁底粘貼纖維材料與張拉體外預應力加固

圖6　預制箱梁梁底粘貼碳纖維板和芳綸纖維板施工

加固后承載能力極限狀態(tài)抗彎驗算、正常使用極限狀態(tài)應力驗算結果見表3、表4。

圖7　預制箱梁腹板粘貼纖維材料與張拉體外預應力加固

通過加固前后荷載試驗數(shù)據(jù)對比，加固后橋梁主梁承載力及整體剛度得到一定程度提高，主梁在荷載作用下無明顯開裂，加固效果明顯。

表3　加固后承載能力極限狀態(tài)抗彎驗算結果

表4　加固后正常使用極限狀態(tài)應力驗算結果

4　結語

該文通過工程實例，對裝配式預應力砼箱梁橋的病害類型及產生原因進行分析，采用主動加固與被動加固技術相結合的處治方案進行加固。加固前后結構荷載試驗結果表明，該加固方式的效果明顯，橋梁承載力得到顯著提高，可為裝配式預應力砼箱梁橋的維修加固提供借鑒。

參考文獻：

［1］ 陳兆毅.某預制小箱梁橋的病害分析與加固研究［D］.大連：大連理工大學，2008.

［2］ 張舍.淺談公路橋梁病害的起因、檢測與加固［J］.安徽建筑工業(yè)學院學報，2005，13（1）.

［3］ 詹建輝，陳卉.特大跨度連續(xù)剛構主梁下?lián)霞跋淞毫芽p成因分析［J］.中外公路，2005，25（1）.

［4］ 王宏民.既有鋼筋砼簡支箱梁橋加固方案比選［J］.公路與汽運，2014（6）.

［5］ 郝憲武.裝配式箱梁橋整體化層作用機理及其設計加固方法［D］.西安：長安大學，2012.

［6］ 龔世康.簡支連續(xù)小箱梁橋施工質量控制與影響因素分析［D］.杭州：浙江大學，2007.

［7］ 樓莊鴻.論預應力混凝土梁橋的裂縫［J］.公路交通科技，2000，17（6）.

［8］ 肖玉輝，沈立宏.混凝土橋梁病害成因分析及對策研究［J］.中外公路，2004，24（1）.

［9］ 梁曉翀，向磊.某組合梁橋的病害分析及加固設計研究［J］.公路與汽運，2009（4）.

［10］ 張建軍.預應力混凝土連續(xù)箱梁橋腹板裂縫分析［D］.廣州：華南理工大學，2012.

［11］ 王均利.曲線箱梁橋的病害及設計對策［J］.中外公路，2005，25（4）.

加固方法：銑刨原橋面鋪裝層，在梁板底板和腹板設置體外預應力，控制張拉，粘貼碳纖維板（芳綸纖維板），采用無連接鋼絞線通過植筋與主梁連接；鋪裝層設雙層鋼筋網(wǎng)，重新鋪筑15 cm C40防水砼整體鋪裝層，提高橋梁抗彎剛度和承載能力（計算梁高為110 cm）；在墩頂增加一定數(shù)量縱向加強鋼筋，提高墩頂截面的截面抗力，同時在邊跨梁底粘貼碳纖維板，提高其承載能力（見圖5～7）。通過加固，達到封閉結構現(xiàn)有裂縫、增加主梁安全儲備的目的。

中圖分類號：U445.7

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0218-04

基金項目：?國家自然科學基金資助項目（51308071，51378081）；湖南省自然科學基金項目（13JJ4057）；交通運輸部應用基礎研究項目（2015319825120）

收稿日期：2016-02-31