某公路大橋引橋病害分析及加固設(shè)計

楊相展，易壯鵬

（1.創(chuàng)輝達設(shè)計股份有限公司，湖南 長沙410004；2.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙410114）

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)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(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于箱梁結(jié)構(gòu)尺寸選擇不合理、施工質(zhì)量缺陷、負(fù)荷超載等方面的原因，國內(nèi)不少預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的頂板、底板、腹板、橫梁在運營階段出現(xiàn)了較嚴(yán)重的裂縫[1-2]，影響了橋梁結(jié)構(gòu)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(xiàn)場荷載試驗和有限元計算，對箱梁裂縫產(chǎn)生的原因進行了分析；根據(jù)分析結(jié)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(xù)箱梁進行了現(xiàn)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(shè)，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(jié)全漂浮體系，輔助墩與共用墩頂均設(shè)置滑動支座。引橋共18 孔，其中小樁號側(cè)14 孔40 m+3×40 m+5×40 m+5×40 m=560 m；大樁號側(cè)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(jié)構(gòu)為單箱雙室，兩邊腹板處梁高250 cm，橋面設(shè)雙向1.5%的橫坡，由腹板高差形成；箱梁在墩頂處設(shè)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計行車速度：80 km/h。

（2）設(shè)計荷載等級[3]：汽超-20，掛-120，人群3.5 kN/m2（原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)）。

（3）橋梁寬度：行車道為雙向車道，凈寬16.0 m，兩側(cè)各設(shè)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(shè)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(jù)檢查結(jié)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(shù)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(cè)均經(jīng)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(nèi)側(cè)頂板普遍有縱向裂縫，多數(shù)已封閉，少數(shù)未封閉，寬度小于0.2 mm，部分裂縫通長存在。在每一聯(lián)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(shù)孔腹板有與預(yù)應(yīng)力筋走向基本吻合的水平或斜向裂縫，裂縫不連續(xù)，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(jīng)分析，對于腹板縱向裂縫產(chǎn)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(dǎo)致鋼束中心與腹板邊的距離只有12.5 cm，施工質(zhì)量不易保證，不易振搗實，從而產(chǎn)生了沿鋼束的縱向裂縫；頂板縱向裂縫產(chǎn)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(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力，在車輛荷載作用下，頂板產(chǎn)生了較多縱向裂縫；對于腹板斜向裂縫產(chǎn)生的原因是本橋在支點位置未設(shè)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(jù)試驗結(jié)果和計算分析，得出以下結(jié)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(chǎn)生新裂縫；試驗橋跨的撓度校驗系數(shù)大于1。因此，試驗跨橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)下不能滿足原設(shè)計荷載的要求。

（2）根據(jù)設(shè)計圖紙及技術(shù)狀況檢測結(jié)果提供的資料，進行承載能力極限狀態(tài)檢算。檢算結(jié)果表明，大橋上部結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)滿足原設(shè)計要求。

（3）技術(shù)狀況檢測及靜載試驗結(jié)果表明結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力不足，其對極限承載能力的影響應(yīng)作進一步的調(diào)查研究后才能確定。

3 加固設(shè)計

3.1 病害處理措施

（1）對引橋各聯(lián)均采用體外預(yù)應(yīng)力加固措施。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用0VM-S6 環(huán)氧涂覆型無黏結(jié)成品索（φs15-19），標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度fpk=1 860 MPa，張拉控制應(yīng)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(shè)置4 束通長束。鋼束布置見圖5、圖6。

圖5 體外預(yù)應(yīng)力立面布置圖（單位：cm）

圖6 體外預(yù)應(yīng)力平面布置圖（單位：cm）

（2）對箱梁內(nèi)部未封閉的裂縫以及沿預(yù)應(yīng)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(jié)果

為掌握加固后的效果，對加固前后的箱梁承載力、應(yīng)力進行了對比計算，結(jié)果見表1。

表1 加固前后極限狀態(tài)驗算對比

由表1 可以看出，采用體外預(yù)應(yīng)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(xiàn)象相吻合，證明采用體外預(yù)應(yīng)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(lián)加固前后的主應(yīng)力。

圖8 第4 聯(lián)加固前主應(yīng)力（單位：MP a）

圖9 第4 聯(lián)加固后主應(yīng)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(lián)（K2～K4 孔3×40 m 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁）、第4 聯(lián)（K10～K14 孔5×40 m 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁）、第6 聯(lián)（K23 孔1×40 m 預(yù)應(yīng)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(lián)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(lián)選取跨中斷面，3 跨聯(lián)選取1 個邊跨跨中斷面和中跨跨中斷面，5 跨聯(lián)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(shè)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(shù)見表2。橫向加載位置見圖12。

表2 加載車輛參數(shù)

圖12 車輛橫向加載位置（單位：cm）

4.2 靜載試驗對比結(jié)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(lián)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(yù)應(yīng)力對連續(xù)箱梁的加固效果明顯，試驗橋跨結(jié)構(gòu)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(jié) 語

（1）采用體外預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力對連續(xù)箱梁的加固效果明顯，試驗橋跨結(jié)構(gòu)剛度較加固前有明顯提高。

（3）連續(xù)箱梁的頂板縱向裂縫可通過粘貼鋼板加固進行處理。