體外預應力+鋼桁架橫隔梁+粘貼鋼板加固開裂橋梁力學性能研究

陳棟棟

（山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司），山西 太原 030032）

隨著我國經濟的發展，公路交通量不斷增大，公路荷載不斷提升，加之設計不當或施工質量差等原因，導致部分早期建設的已運營公路橋梁在未達到設計使用年限時就出現了影響結構安全的病害，如：連續結構正彎矩區腹板豎向裂縫、底板橫向裂縫等。針對上述情況，目前常見的加固法有：粘貼碳纖維加固法、粘貼鋼板加固法、增大截面加固法、體外預應力加固法、各種加固組合方法。

1 工程概況

某特大橋上部結構為25 m跨徑先簡支后連續預應力混凝土小箱梁，橋寬14 m，由4片預制小箱梁構成，箱梁中心距3.5 m，橫橋向通過濕接縫連接，其橫斷面如圖1所示；下部結構為柱式墩、肋板臺，鉆孔灌注樁基礎。設計荷載：汽車-超20級、掛車-120。

圖1 典型橫斷面（單位：cm）

橋梁運營20余年，存在以下病害：主梁在L/4至3L/4梁跨之間底板及腹板范圍存在橫豎向裂縫，多數梁體裂縫主要形態為“一字型、L型及U型”，如圖2、圖3所示，其中底板橫向裂縫最寬0.64 mm；腹板豎向裂縫最寬0.36 mm；腹板斜向裂縫最寬0.86 mm；部分箱梁存在左右對稱的豎向裂縫，個別豎向裂縫與底板橫向裂縫貫通形成U形裂縫，且裂縫在持續擴展，這將直接影響整座橋梁的承載能力及使用壽命。另外，底板縱向裂縫最寬0.63 mm；腹板縱向裂縫最寬1.07 mm；濕接縫裂縫最寬0.41 mm；橫隔板裂縫最寬0.83 mm。

圖2 無跨中橫隔梁

圖3 箱梁U型裂縫

1.1 病害原因分析

因多數梁體裂縫主要形態為“一字型、L型及U型”，表明主梁在長期活荷載作用下，正常使用極限狀態的抗彎承載能力不足，其原因主要如下：

a）該高速公路橋梁投入運營以來，公路交通流量大幅增長，且早期超載超限車輛較多，而該橋設計標準低，導致混凝土內部微裂縫開展，進而形成主梁底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫。

b）該橋梁主梁間距較大，且未設置跨中橫隔板，橫向剛度較小，在活載作用下，主梁之間缺乏高效的橫向傳力構件，荷載作用下主梁所承擔的荷載大于理論計算值，主梁之間存在明顯的相對位移和扭轉，也是箱梁出現腹板豎向裂縫、縱向濕接縫和橫隔板出現裂縫的主要原因之一。

c）橋梁運營期間由于超載對結構的損害隨箱梁混凝土老化和預應力度降低逐步凸顯，也是造成本橋病害加速發展的主要原因之一。

1.2 加固方案確定

a）針對該橋橫向剛度不足，整體性較差的缺陷，加固方案中采用在跨中增設鋼桁架橫隔板，以提高橋梁的橫向剛度，改善活載的橫向分布。

b）針對主梁抗彎承載能力不足的狀況，加固方案中采用了對小箱梁增設體外預應力鋼束，補足主梁的預應力度，以提高主梁的抗彎承載能力。

c）為了進一步提高主梁的抗彎剛度，加固方案中針對寬度大于0.2 mm的裂縫進行注膠黏結，裂縫數量較多的橋跨，粘貼鋼板對裂縫進行有效限制。

同時，對混凝土剝落、露筋、腐蝕等部位進行修補，減小環境變化對主梁結構的進一步影響，提高主梁的耐久性。

圖4 加固后效果圖

2 加固方法效果分析[1]

為了確定該方案的加固效果，選取6×25 m典型聯跨作為試驗跨進行加固前后的荷載試驗，通過對主梁應力、撓度和基頻等參數試驗對比，分析該加固方法對該類型橋梁的加固效果。

2.1 應力測試結果分析

本文選取了次邊跨正彎矩偏載工況L/2斷面的應力進行比對分析，如圖5所示。

圖5 加固前/后次邊跨最大正彎矩偏載程序作用下L/2斷面偏載側梁應力分布圖（單位：MPa）

a）表明雖然加固后試驗跨在設計荷載作用下主梁控制截面的應變增量比加固前有顯著的下降，但仍超設計值，主梁現有的抗彎強度仍不滿足原橋梁未損傷狀態下的受力性能。

b）表明采用該方法加固后試驗跨主梁中性軸位置比加固前有了明顯改善，中性軸位置明顯下降，與截面理論計算位置更接近。

2.2 撓度測試結果分析

本文選取邊跨和次邊跨加固前/后最大正彎矩偏載工況下主梁縱向撓度（如圖6、圖7所示）及加固前/后邊跨最大正彎矩偏載工況下橋梁橫向撓度進行比對分析（如圖8、圖9所示）。

圖6 加固前/后邊跨最大正彎矩偏載程序荷載作用下橋梁縱向撓度曲線圖

圖7 加固前/后次邊跨最大正彎矩偏載程序荷載作用下橋梁縱向撓度曲線圖

圖8 加固前/后邊跨最大正彎矩偏載程序加載1作用下L/2斷面橫向撓度曲線圖

圖9 加固前/后邊跨最大正彎矩偏載程序加載3作用下L/2斷面橫向撓度曲線圖

a）雖然加固后試驗跨在設計荷載作用下主梁控制截面的撓度值比加固前有較顯著下降，但實測撓度大于設計值，主梁現有的抗彎剛度仍不滿足原橋梁未損傷狀態下的設計荷載要求。

b）該橋加固后主梁縱橋向抗彎剛度有較明顯提高，縱橋向抗變形能力顯著增強。試驗跨橋梁縱向撓曲變形規律與理論計算基本相一致，主梁縱向撓度均比加固前有明顯降低。

c）表明加固后主梁橫向抗彎剛度有較明顯提高，試驗跨跨中橫向撓度的橫向分布曲線與理論計算的撓度橫向分布曲線規律基本相一致，荷載橫向分布系數更趨于合理。

2.3 裂縫寬度測試結果分析

在試驗過程中，對加固前/后正彎矩控制斷面底板裂縫寬度變化進行了測試，測試結果見表1。

表1 加固前/后正彎矩控制斷面底板裂縫測點寬度變化情況表

加固后主梁的實測底板裂縫變化寬度均比加固前有了明顯改善，裂縫變化寬度明顯變小，表明采用該方法加固后能夠在一定程度上有效地抑制試驗跨主梁裂縫的開展。

2.4 基頻測試結果分析

在試驗過程中，對加固前/后橋梁結構的振動基頻變化也進行了測試，測試結果見表2。

表2 加固前/后結構整聯實測基頻結果

表明該橋加固后豎向基頻值較加固前增加14.3%，起到了一定的效果，但仍小于理論計算值，未恢復到原有設計狀態。這主要是由于主梁跨中附近截面開裂，造成結構剛度顯著降低，結構自振頻率比理論計算結果有較明顯降低，加固后結構的裂縫得到了一定抑制。

3 結語

本文針對某橋的典型橋梁病害，選取了體外預應力+鋼桁架橫隔板+粘貼鋼板的綜合加固法，并通過加固前/后的荷載比對試驗，對其加固效果進行了分析研究，得出如下結論：

a）加固后在設計荷載作用下主梁控制截面的應變增量比加固前有顯著的下降；且實測主梁中性軸位置均比加固前有了明顯改善，與截面理論計算位置更接近，但主梁現有的抗彎強度仍不滿足原橋梁未損傷狀態下的設計要求。

b）加固后主梁縱橋向抗彎剛度有較明顯提高，縱橋向抗變形能力顯著增強，但主梁現有的抗彎剛度仍不滿足原橋梁未損傷狀態下的設計要求。

c）加固后主梁橫向抗彎剛度有較明顯提高，荷載橫向分布系數趨于合理。

d）加固后主梁的裂縫得到了一定抑制，豎向基頻值較加固前增加14.3%，但仍小于理論計算值，未恢復到原有設計狀態。

因此，該橋采用體外預應力+鋼桁架橫隔板+粘貼鋼板的綜合加固法對損傷橋梁的承載能力雖有一定的改善，但縱向抗彎強度、剛度和裂縫寬度等仍無法滿足規范要求，需要對該類型病害橋梁的加固技術進行進一步的研究和探討，以尋求更有效的加固方法。