某PC連續梁橋主梁開裂后加固對策及靜載試驗分析

胡朝輝（廣州誠安路橋檢測有限公司）

某PC連續梁橋主梁開裂后加固對策及靜載試驗分析

胡朝輝
（廣州誠安路橋檢測有限公司）

以某五跨預應力混凝土連續梁橋邊跨主梁開裂后的加固工程為背景，分析了主梁裂縫產生的原因，詳細介紹了該橋主梁的驗算分析、加固過程中的監測分析以及加固后的靜載試驗分析評價。結果表明：本橋邊跨主梁采用施加體外預應力加固能增加箱梁底板的壓應力儲備、降低主拉應力，施加體外束對主梁既有裂縫有一定的閉合作用，經加固后的橋梁承載能力能滿足設計使用要求，為同類橋梁的加固設計工程提供參考。

結構驗算；靜載試驗；體外預應力；承載能力

1　工程概況

某特大橋位于廣州市二環高速公路，跨京廣鐵路高壓電纜和鐵道道場，其主橋（第12～16跨）跨徑組合為65+3×100+65m，與路線正交。主橋單幅橋寬13.25m。主橋上部結構為變截面預應力混凝土連續箱梁，箱梁為三向預應力體系單箱單室結構，頂板寬度為13.25m，底板寬度為6.75m，中支點梁高5.5m，中跨合攏段及邊跨現澆段梁高2.5m，箱梁頂板厚度為26cm，底板厚度為35～80cm，腹板厚度為45～60cm；主橋下部結構采用薄壁空心墩，基礎為樁基礎。設計荷載為汽車-超20級，掛-120。

該橋所處交通位置較為重要，交通車流量大，重車通行量相對較多，多年的超負荷運營，使橋梁部分構件出現了不同程度的病害，經外觀調查，主橋邊跨合攏段箱梁腹板內外及底板均產生了大量結構性裂縫，其中腹板裂縫以斜向為主，底板裂縫以橫向為主，且部分與腹板斜裂縫連通呈U型，縫寬嚴重超限，最大寬度達1.2mm，并伴有白色鈣化物結晶析出，表面裂縫深度已貫通底板，不能滿足正常使用要求，需采取維修加固措施。

2　病害調查及原因分析

2.1箱梁底板裂縫

在左、右幅第12孔距11號橋墩8m范圍內及左、右幅第16孔距16號橋墩8m范圍內箱外底板存在多條橫向、斜向裂縫，部分橫向裂縫與腹板斜向裂縫貫通，形成U型貫通裂縫，最大裂縫寬度達1.2mm，部分裂縫析出白色鈣化物。

成因分析：11、16號橋墩附近的箱梁底板裂縫主要分布于底板齒板前緣區域，此處有大量底板鋼束錨固，經了解，該橋施工合攏完成后，該區域已經出現少量橫向裂縫，施工單位對裂縫稍密集的右幅12孔底板采用粘貼碳纖維布進行了加固處理，由于車輛的反復沖擊作用加之超載車的重載作用，裂縫逐漸擴展、延伸，部分裂縫與腹板斜向裂縫貫通。

2.2箱梁腹板裂縫

箱外腹板位置存在多條斜向、豎向裂縫，存在于第12孔、16孔距邊支點 0～8m范圍內，縫寬0.14～0.80mm；部分斜向裂縫與箱外底板橫向裂縫貫通為U型裂縫；箱內腹板存在多條豎向裂縫，裂縫寬度為0.08～0.20mm。

成因分析：經相關計算，在承載能力極限狀態下、邊梁梁端抗彎、抗剪承載力均滿足規范要求；在正常使用極限狀態下，11號及16號墩附近箱梁腹板處主拉應力超限，從而引起腹板斜向開裂；由于邊跨箱內腹板局部加厚處理，裂縫尚不明顯，而箱外腹板斜向裂縫在腹板加厚前已經出現，在超載車輛荷載的沖擊下，箱外裂縫的長、寬均有所發展，部分裂縫延伸至底板，與底板橫縫連通。

3　結構驗算分析

3.1主要計算參數及荷載組合

考慮本橋的實際情況，擬定其承載能力檢算系數為0.95，承載能力惡化系數為0.08，截面折減系數0.98，鋼筋截面折減系數0.95［1］，主要計算參數：

⑴50號混凝土彈性模量：3.5×104MPa；

⑵整體升溫：25℃；整體降溫：-25℃；

⑶支座沉降：主橋邊墩沉降考慮10mm、中墩沉降考慮20mm。

荷載組合見表1所示。

表1　主要計算參數和荷載組合［3］

3.2驗算分析結果

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ023-85）及《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/TJ21-2011）對主梁承載能力極限狀態及正常使用極限狀態下驗算，部分驗算結果見表2～表4：

表2　抗彎承載能力驗算（kN·m）

表3　箱梁支點正應力驗算（MPa）

表4　主拉應力驗算（MPa）

圖1　邊跨現澆段及合攏段局部應力云圖（底板上緣）

在承載能力極限狀態下，箱梁各主要控制截面的抗彎、抗剪承載能力均滿足要求，但箱梁在中墩墩頂抗彎承載能力安全儲備不足；在正常使用極限狀態下，近11、16號墩處箱梁驗算截面。

在最不利荷載組合作用下正應力及主拉應力超過限值，11、16號橋墩附近的底板裂縫主要分布于底板齒板前緣區域，由于此處有大量底板鋼束錨固，底板上緣局部應力最大值為5.3MPa，底板下緣局部應力最大值為3.1MPa，不滿足正常使用要求，其它計算截面均滿足要求。

表5　張拉過程中第12跨邊墩支點截面應變監測結果

3.3主梁加固方案

針對主橋預應力混凝土現澆連續箱梁邊跨腹板斜向裂縫和底板橫向裂縫，在邊跨合攏段箱梁底板下緣8m范圍內粘貼縱向鋼板條，分散底板鋼束集中錨固產生的局部應力及活載和可變荷載產生的正應力，同時邊跨箱內靠近底板處張拉四根OVM15-12體外預應力鋼束，增加底板壓應力儲備，并采用單端張拉的方式，以減少應力集中和減少齒板因過大拉力而導致開裂；在箱梁外腹板粘貼斜向鋼板條進行加固補強，提高邊跨近梁端區域承載能力安全儲備；經設計計算分析，加固后底板局部應力增加約為1MPa，可提高底板壓應力安全儲備。

4　加固過程中的監測分析

為確保本次加固施工達到設計要求，以及張拉鋼束過程中的橋梁安全，需對張拉過程進行監測，以判斷其是否能達到設計要求。

4.1監測內容及測點布置

⑴通過測量邊跨邊墩支點附近截面在張拉預應力鋼束過程中，監測應變、裂縫寬度等試驗指標，與加固設計提供的應力增加值進行對比，判斷本次張拉所增加的預應力水平是否達到加固設計要求。

⑵通過測量邊跨在張拉預應力鋼束前后的橋面高程，觀測橋面線形在張拉前后的變化情況（無活載作用下）。

⑶通過測量邊跨邊墩支點附近截面在張拉預應力鋼束前后的底板下緣、腹板的裂縫寬度初始值，觀測張拉預應力鋼束后裂縫的閉合情況（無活載作用下）。

應變監測點采用振弦式應變計，沿箱梁底板縱向連續布設的方式布置，以消除底板局部開裂引起的測試誤差，見圖2所示；橋面線型采用精密水準儀進行測量，測點布置于四分點及跨中；裂縫監測采用千分表，在邊跨箱梁張拉預應力束的區段腹板和底板各選取1條典型裂縫進行監測。

表6　張拉前后邊墩支點截面箱梁底板下緣應力增量

圖2　應變監測點布置示意圖

4.2應變監測結果

由表5、表6可知，第12孔邊墩支點截面箱梁底板下緣（A6～A15）測點在預應力鋼束張拉完成后所增加的實測壓應變為-22με，經換算后的實測壓應力增量為0.77MPa；第16孔邊墩支點截面箱梁底板下緣（B6～B15）測點在預應力鋼束張拉完成后所增加的實測壓應變為-34με，經換算后的實測壓應力增量為1.19MPa。

4.3裂縫監測結果

在體外預應力束的作用下，加固后支座附近梁體裂縫的初始寬度有一定程度的閉合，最大部位閉合了0.171mm，見表7。

4.4線型測量

采用精密水準儀張拉預應力束前后的橋面線型進行測量，結果顯示，張拉前與張拉后的橋面線形相比，未出現明顯變化。

5　加固后靜載試驗分析

表7　加固過程中裂縫監測（mm）

對加固后的橋跨進行靜載試驗，通過測量控制截面在張拉預應力鋼束后試驗荷載作用下最大撓度、最大拉應變、裂縫寬度等試驗指標，來評價橋梁的承載能力是否滿足設計荷載等級的要求［4］。

5.1試驗工況及加載效率

試驗加載位置與加載工況的確定主要根據設計汽車活載在主梁上的最不利彎矩效應值，根據試驗方法的規定，荷載試驗的加載效率在0.80～1.00之間，本橋采用6臺重約35t的重車，分兩個加載工況，分別為：邊跨主梁最大正彎矩工況、邊跨邊墩支點附近截面最大剪力工況。

表8　試驗荷載效率系數

5.2測點布置及測試內容

撓度測點及支點截面應變測點均選取加固過程中監測所用的測點，最大正彎矩截面應變測點布設在箱內頂底板及腹板，見圖3所示。

圖3　邊跨最大彎矩截面應變測點布置圖

5.3測試結果與分析

試驗跨滿載工況下的最大撓度、應力及其校驗系數、殘余系數見表9所示。

由表9可知，試驗跨在張拉后各工況下實測撓度、梁底應變的校驗系數在0.67～0.91之間，滿足《試驗方法》［5］的要求；實測撓度與應變的殘余變形系數均小于0.2，滿足《試驗方法》的要求；滿載時，12#邊跨、16#邊跨控制截面撓度最大實測值分別為12.96mm、13.30mm，均小于L0/600（L0為計算跨徑），滿足設計規范要求。

6　結論

⑴本橋跨京廣鐵路高壓電纜和鐵道道場，場地的不利條件對梁體開裂區段的加固施工帶來不便，采取在箱內增設體外小束小噸位多索預應力束并進行單端張拉的方式加固，能滿足施工要求，加固方案具有一定的針對性，可供同類型加固工程借鑒。

⑵本橋邊跨主梁采取張拉體外預應力的加固方案，增加了邊跨箱梁底板的壓應力儲備，同時加固區段腹板的主拉應力有所降低，齒板位置的底板局部應力狀況得到一定的改善，箱梁原有裂縫寬度有一定程度的閉合。

⑶經加固后的橋梁在試驗荷載作用下，其各項試驗指標均滿足規范要求，橋梁的承載能力能滿足汽車-超20級、掛-120荷載等級的要求，加固效果較好。●

［1］交通部公路科學研究所，等.公路橋梁承載能力檢測評定規程（JTG/TJ21-2011）［M］.2011.

［2］交通部公路規劃設計院.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范（JTJ023-85）［M］.1985.

［3］顧安邦.橋梁工程（下冊）［M］.人民交通出版社，北京，2000.

［4］湛潤水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗［M］.人民交通出版社，北京，2003.

［5］交通部公路科學研究所，等.大跨徑混凝土橋梁的試驗方法［M］.1982.