裝配式預(yù)應(yīng)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(dá)

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)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(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

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裝配式預(yù)應(yīng)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(dá)3

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)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(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

摘要：隨著交通量及車輛荷載等級(jí)的增加，加上營(yíng)運(yùn)環(huán)境的變化及結(jié)構(gòu)本身的自然老化和退化等影響，裝配式預(yù)應(yīng)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(duì)箱梁裂縫病害類型及產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并采取主動(dòng)加固和被動(dòng)加固相結(jié)合的綜合加固法進(jìn)行處治。

關(guān)鍵詞：橋梁；預(yù)應(yīng)力砼箱梁橋；病害成因；加固方法；應(yīng)力；撓度

裝配式預(yù)應(yīng)力砼箱梁由于具有施工安全性高、整體性好、質(zhì)量易控、工期短、造價(jià)低等良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，從20個(gè)世紀(jì)80年代末開始就被廣泛運(yùn)用于橋梁建設(shè)中。目前，在國(guó)內(nèi)外高速公路建設(shè)中，其已成為絕大部分橋梁結(jié)構(gòu)的首選。迄今為止，中國(guó)修建的裝配式預(yù)應(yīng)力砼箱梁橋已達(dá)萬座。

對(duì)于早期修建的橋梁，因其施工建造技術(shù)水平相對(duì)落后，運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)管理不到位，加之近年交通量激增、車輛荷載的增加及結(jié)構(gòu)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(duì)以上不利因素，業(yè)內(nèi)已開始對(duì)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(duì)裝配式預(yù)應(yīng)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(shí)際工程，對(duì)該類型橋梁的病害及加固措施進(jìn)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(duì)于裝配式預(yù)應(yīng)力砼箱梁橋，砼裂縫是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”。根據(jù)產(chǎn)生裂縫的部位和外觀不同，對(duì)其主要病害進(jìn)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(cè)對(duì)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(fù)彎矩較集中的墩頂?shù)?/3跨區(qū)域極易產(chǎn)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(diǎn)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(yù)應(yīng)力砼箱梁常見病害及產(chǎn)生原因

如表2所示，由于設(shè)計(jì)理念差異及不同荷載等級(jí)，不同時(shí)期20 m箱梁結(jié)構(gòu)尺寸及鋼筋配束存在較大差異。為確定已建橋梁病害的產(chǎn)生原因，需深入分析橋梁所用標(biāo)準(zhǔn)圖所處的時(shí)期，弄清楚其設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)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(hù)管理不善，在早期標(biāo)準(zhǔn)圖基礎(chǔ)上建造的先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力砼組合箱梁均不同程度地產(chǎn)生病害。因工期、施工質(zhì)量等原因，近期新建的先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力砼組合箱梁橋也經(jīng)常出現(xiàn)各類問題，個(gè)別橋梁在尚未通車時(shí)即出現(xiàn)嚴(yán)重病害，影響整體工程進(jìn)展。

表2　不同階段20 m箱梁標(biāo)準(zhǔn)圖結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比

2　梁橋加固方法

有關(guān)研究表明，早期修建的裝配式預(yù)應(yīng)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(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的病害，需對(duì)結(jié)構(gòu)采取合理的加固措施，抑制病害的繼續(xù)發(fā)展，提高原結(jié)構(gòu)的承載能力。

橋梁結(jié)構(gòu)因其自重過大，需采用帶載加固。在承擔(dān)荷載的分配上，原梁承受因原結(jié)構(gòu)自重等先期恒載引起的內(nèi)力，活載（汽車、風(fēng)）等后期荷載則由加固后的組合截面承擔(dān)，加固設(shè)計(jì)計(jì)算需計(jì)入分階段受力等影響。這是橋梁加固設(shè)計(jì)異于一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)。

加固病害構(gòu)件的方法很多，根據(jù)工作性質(zhì)，可分為直接加筋類被動(dòng)加固和施加預(yù)應(yīng)力的主動(dòng)加固。目前所采用的被動(dòng)加固方法無論在工藝還是技術(shù)上均已成熟。為了實(shí)現(xiàn)加固材料的主動(dòng)受力，充分發(fā)揮加固材料的受力性能，宜將被動(dòng)加固轉(zhuǎn)化為主動(dòng)加固，對(duì)后加補(bǔ)強(qiáng)材料施加預(yù)應(yīng)力，將其轉(zhuǎn)化成預(yù)應(yīng)力加固體系，利用預(yù)應(yīng)力的主動(dòng)受力，從根本上解決后加補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)變（應(yīng)力）滯后，增強(qiáng)后加補(bǔ)強(qiáng)材料的利用效益，以極少的消耗達(dá)到最佳加固效果。

3　工程實(shí)例應(yīng)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(jié)構(gòu)為二聯(lián)8×20 m預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)為柱式墩、埋置式橋臺(tái)和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋至今已運(yùn)營(yíng)13年。

經(jīng)檢測(cè)評(píng)定，該橋技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為四類。為確保橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，延長(zhǎng)橋梁使用壽命，對(duì)該橋進(jìn)行全面維修加固。

3.2病害現(xiàn)象及原因

根據(jù)檢測(cè)和荷載試驗(yàn)結(jié)果，該橋運(yùn)營(yíng)過程中主要受荷構(gòu)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(cè)點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)值偏小，明顯低于其他控制截面，而這些是墩頂負(fù)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(jìn)行取芯檢測(cè)，結(jié)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(shè)計(jì)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(chǎn)生的主要原因。在該受力模式下，橋梁邊跨、中跨實(shí)際彎矩均比原設(shè)計(jì)預(yù)期有所增大，導(dǎo)致主梁產(chǎn)生顯著的受力裂縫。由于經(jīng)常性地超載運(yùn)營(yíng)，橋梁裂縫發(fā)展迅速。

復(fù)查原結(jié)構(gòu)圖紙，發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)墩頂連續(xù)位置縱向兩片箱梁配筋率不足，無法真正達(dá)到完整“連續(xù)梁”的受力模式，且該橋中、邊跨箱梁的一般構(gòu)造及配筋完全一樣，這是該橋邊跨箱梁病害較為嚴(yán)重的一個(gè)重要原因。對(duì)比各階段箱梁標(biāo)準(zhǔn)圖，連續(xù)端應(yīng)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(gòu)造

3.3加固方法及效果分析

在相同荷載組合作用下對(duì)該橋原連續(xù)結(jié)構(gòu)和退化為簡(jiǎn)支梁后結(jié)構(gòu)的彎矩進(jìn)行計(jì)算，得到彎矩包絡(luò)圖（見圖3、圖4）。

圖3　連續(xù)梁彎矩包絡(luò)圖（單位：k N·m）

圖4　簡(jiǎn)支梁彎矩包絡(luò)圖（單位：k N·m）

根據(jù)該橋主要病害特征，加固設(shè)計(jì)的主要目的是恢復(fù)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(shè)計(jì)連續(xù)梁受力模式，尤其是減小邊跨的內(nèi)力分配，從而提高其安全儲(chǔ)備，使其處于安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

圖5　預(yù)制箱梁梁底粘貼纖維材料與張拉體外預(yù)應(yīng)力加固

圖6　預(yù)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(yàn)算、正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見表3、表4。

圖7　預(yù)制箱梁腹板粘貼纖維材料與張拉體外預(yù)應(yīng)力加固

通過加固前后荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(yàn)算結(jié)果

表4　加固后正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

4　結(jié)語

該文通過工程實(shí)例，對(duì)裝配式預(yù)應(yīng)力砼箱梁橋的病害類型及產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，采用主動(dòng)加固與被動(dòng)加固技術(shù)相結(jié)合的處治方案進(jìn)行加固。加固前后結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)結(jié)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(yù)應(yīng)力砼箱梁橋的維修加固提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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

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

［3］ 詹建輝，陳卉.特大跨度連續(xù)剛構(gòu)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(jiǎn)支箱梁橋加固方案比選［J］.公路與汽運(yùn)，2014（6）.

［5］ 郝憲武.裝配式箱梁橋整體化層作用機(jī)理及其設(shè)計(jì)加固方法［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

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

［7］ 樓莊鴻.論預(yù)應(yīng)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(duì)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(shè)計(jì)研究［J］.公路與汽運(yùn)，2009（4）.

［10］ 張建軍.預(yù)應(yīng)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(xué)，2012.

［11］ 王均利.曲線箱梁橋的病害及設(shè)計(jì)對(duì)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(shè)置體外預(yù)應(yīng)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(shè)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(jì)算梁高為110 cm）；在墩頂增加一定數(shù)量縱向加強(qiáng)鋼筋，提高墩頂截面的截面抗力，同時(shí)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(dá)到封閉結(jié)構(gòu)現(xiàn)有裂縫、增加主梁安全儲(chǔ)備的目的。

中圖分類號(hào)：U445.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0218-04

基金項(xiàng)目：?國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51308071，51378081）；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（13JJ4057）；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2015319825120）

收稿日期：2016-02-31