某公路大橋引橋病害分析及加固設計

楊相展，易壯鵬

（1.創輝達設計股份有限公司，湖南 長沙410004；2.長沙理工大學土木工程學院，湖南 長沙410114）

0 引 言

預應力混凝土連續梁橋因為施工方便、造型美觀、整體性好，在我國公路、城市高架建設中得到了廣泛的應用。但是由于箱梁結構尺寸選擇不合理、施工質量缺陷、負荷超載等方面的原因，國內不少預應力混凝土連續梁橋的頂板、底板、腹板、橫梁在運營階段出現了較嚴重的裂縫[1-2]，影響了橋梁結構的安全和正常使用。

本文以某公路大橋的引橋為研究對象，通過現場荷載試驗和有限元計算，對箱梁裂縫產生的原因進行了分析；根據分析結果，對箱梁不同裂縫采取了不同的加固方法，并對加固后的連續箱梁進行了現場荷載試驗，以便驗證加固效果。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

某公路大橋于1999 年6 月開工建設，2001 年9 月建成通車。全長40 m+3×40 m+5×40 m+5×40 m+（40+120+310+120+40）m+3×40 m+4 0 m=1 350 m，其中主橋長630 m，為雙塔雙索面斜拉橋，塔墩固結全漂浮體系，輔助墩與共用墩頂均設置滑動支座。引橋共18 孔，其中小樁號側14 孔40 m+3×40 m+5×40 m+5×40 m=560 m；大樁號側4 孔3×40 m+40 m=160 m。該大橋的橋型布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

引橋上部結構為單箱雙室，兩邊腹板處梁高250 cm，橋面設雙向1.5%的橫坡，由腹板高差形成；箱梁在墩頂處設橫梁及檢查人孔，箱梁頂寬1 900 cm，底寬1 300 cm，箱梁腹板厚45 cm，底板厚18 cm，頂板厚25 cm。引橋箱梁橫斷面圖見圖2。

圖2 引橋箱梁橫斷面圖（單位:cm）

1.2 原橋技術標準

（1）設計行車速度：80 km/h。

（2）設計荷載等級[3]：汽超-20，掛-120，人群3.5 kN/m2（原設計標準）。

（3）橋梁寬度：行車道為雙向車道，凈寬16.0 m，兩側各設寬1.0 m 人行道及0.25 m 的防撞護欄和鋼護欄，橋梁全寬19.0 m。

（4）地震烈度：按照Ⅶ度設防。

2 主要病害及分析

2.1 主要病害

該大橋自2001 年建成后，管理部門于2007 年4月和2011 年10 月進行了橋梁全面檢查和主橋荷載試驗。根據檢查結果，分別于2008 年和2012 年對全橋進行了大修及加固處理。2014 年又委托檢測單位進行全橋技術狀況檢查及荷載試驗。引橋的主要病害有：

（1）箱梁底面及腹板外側均經過多次修補，大部分較寬的裂縫已作封閉處理，但局部仍有較寬裂縫（見圖3）。

圖3 腹板縱向裂縫和底板橫向裂縫

（2）箱梁內側頂板普遍有縱向裂縫，多數已封閉，少數未封閉，寬度小于0.2 mm，部分裂縫通長存在。在每一聯的兩端，有起于角部的斜裂縫，從角部往中間延伸，個別裂縫與頂板縱向裂縫相連。多數孔腹板有與預應力筋走向基本吻合的水平或斜向裂縫，裂縫不連續，寬度不超過0.2 mm，部分裂縫已作封閉處理（見圖4）。

圖4 頂板縱向裂縫和腹板斜向裂縫

2.2 病害分析

經分析，對于腹板縱向裂縫產生的主要原因為腹板采用雙排φs15.2-13 鋼束，而腹板厚度只有45 cm，導致鋼束中心與腹板邊的距離只有12.5 cm，施工質量不易保證，不易振搗實，從而產生了沿鋼束的縱向裂縫；頂板縱向裂縫產生的原因主要為箱梁箱寬較寬，頂板跨度達到了6.5 m，未設置橫向預應力，在車輛荷載作用下，頂板產生了較多縱向裂縫；對于腹板斜向裂縫產生的原因是本橋在支點位置未設置腹板加厚段，致使支點位置抗剪能力不足。

針對上述病害，檢測單位對引橋進行了靜載試驗和承載能力計算，根據試驗結果和計算分析，得出以下結論：

（1）荷載試驗加載過程中，原有裂縫寬度有不同程度的增加，測試斷面底板產生新裂縫；試驗橋跨的撓度校驗系數大于1。因此，試驗跨橋梁結構在正常使用極限狀態下不能滿足原設計荷載的要求。

（2）根據設計圖紙及技術狀況檢測結果提供的資料，進行承載能力極限狀態檢算。檢算結果表明，大橋上部結構的承載能力極限狀態滿足原設計要求。

（3）技術狀況檢測及靜載試驗結果表明結構預應力不足，其對極限承載能力的影響應作進一步的調查研究后才能確定。

3 加固設計

3.1 病害處理措施

（1）對引橋各聯均采用體外預應力加固措施。預應力鋼絞線采用0VM-S6 環氧涂覆型無黏結成品索（φs15-19），標準抗拉強度fpk=1 860 MPa，張拉控制應力σcon= 0.45 fpk= 837 MPa；邊跨采用單端張拉，中跨采用兩端張拉，縱橋向共設置4 束通長束。鋼束布置見圖5、圖6。

圖5 體外預應力立面布置圖（單位：cm）

圖6 體外預應力平面布置圖（單位：cm）

（2）對箱梁內部未封閉的裂縫以及沿預應力縱向的裂縫采用裂縫封閉處理。

（3）對箱梁頂板進行粘貼鋼板加固處理。鋼板、螺栓、螺母等配件均采用Q355GNH 高耐候鋼，粘貼鋼板尺寸采用150 mm×5 mm，縱橋向間距為450 mm。頂板粘貼鋼板布置圖見圖7。

圖7 頂板粘貼鋼板布置圖（單位：cm）

3.2 計算結果

為掌握加固后的效果，對加固前后的箱梁承載力、應力進行了對比計算，結果見表1。

表1 加固前后極限狀態驗算對比

由表1 可以看出，采用體外預應力加固后對橋梁承載能力影響不大，但加固后對橋梁的正截面抗裂及斜截面抗剪改善明顯，這也與加固運營后箱梁斜裂縫、橫向裂縫不再擴展的現象相吻合，證明采用體外預應力加固大大增加了箱梁的抗裂及抗剪能力。圖8、圖9 分別給出了第4 聯加固前后的主應力。

圖8 第4 聯加固前主應力（單位：MP a）

圖9 第4 聯加固后主應力（單位：MP a）

4 試驗對比分析

4.1 靜載試驗

為檢驗加固效果，分別在采用體外索進行加固前后，對引橋第2 聯（K2～K4 孔3×40 m 預應力混凝土箱梁）、第4 聯（K10～K14 孔5×40 m 預應力混凝土箱梁）、第6 聯（K23 孔1×40 m 預應力混凝土箱梁）進行靜載試驗，測試箱梁在試驗荷載作用下的撓度。2 次靜載試驗均測量了這3 聯引橋在同等荷載作用下的箱梁撓度。撓度測試位置見圖10、圖11，其中單跨聯選取跨中斷面，3 跨聯選取1 個邊跨跨中斷面和中跨跨中斷面，5 跨聯選取1 個邊跨跨中斷面和1 個次邊跨跨中斷面。撓度測點布置于箱梁腹板中心，橫橋向共設置3 個測點。

圖10 測試斷面1 車輛加載位置（單位：cm）

圖11 測試斷面2 車輛加載位置（單位：cm）

試驗加載車輛為斯泰爾三軸加載車，加載車輛參數見表2。橫向加載位置見圖12。

表2 加載車輛參數

圖12 車輛橫向加載位置（單位：cm）

4.2 靜載試驗對比結果[4-5]

加固前后實測撓度對比見表3。由表3 可見，在同等試驗荷載作用下，各聯加固后的實測撓度值與加固前對比均有較明顯的減小。說明采用體外預應力對連續箱梁的加固效果明顯，試驗橋跨結構剛度較加固前有明顯的提高[6]。

表3 加固前后實測撓度對比 單位：mm

5 結 語

（1）采用體外預應力加固對橋梁承載能力影響不大，但加固后對橋梁的正截面抗裂及斜截面抗剪改善明顯。

（2）通過荷載試驗，證明了采用體外預應力對連續箱梁的加固效果明顯，試驗橋跨結構剛度較加固前有明顯提高。

（3）連續箱梁的頂板縱向裂縫可通過粘貼鋼板加固進行處理。