預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)桁梁剛構(gòu)橋裂縫分析及加固

毛建平，唐賡，蒙方成，覃樂勤，潘觀賜

(1.廣西交通設(shè)計集團有限公司, 廣西 南寧 530011；2.廣西交通工程檢測有限公司)

1 橋梁概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)桁梁剛構(gòu)橋于1995年7月通車，全橋長785.5 m，跨徑組成為19×16 m+(60 m+3×100 m+60 m)+3×16 m。主橋為雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)桁梁剛構(gòu)橋，中跨跨中設(shè)擺柱鉸；橋面橫向全寬采用兩縱向桁片支承聯(lián)結(jié)，高度6.35 m，兩縱向桁片通過橫向安裝行車道、人行道板、橫向橋面鋼筋網(wǎng)和施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋聯(lián)成整體；上弦桿為U形斷面，下弦桿為帶缺口矩形斷面；靠近橋墩處設(shè)弦下斜桿和弦下豎桿與下弦桿固結(jié)。主墩為四樁式高樁橋墩。橋梁設(shè)計荷載等級：汽車-超20級、掛車-120，人群荷載3.5 kN/m2。

2 病害概況

橋梁維修加固前最近一次檢測結(jié)果表明：弦下斜桿、弦下豎桿與下弦桿的相交處(下文簡稱“三角區(qū)”，見圖1中“裂縫開展部位1～8”)，出現(xiàn)較為典型的裂縫。裂縫主要分為兩類：① 弦下斜桿與下弦桿結(jié)合面處開裂，該類裂縫寬度大，伴隨滲水和局部剝落露筋等情況；② 沿弦下斜桿向下發(fā)展的斜向裂縫。兩類裂縫寬度均超過了規(guī)范規(guī)定的限值，裂縫分布示意見圖1，部分嚴(yán)重裂縫開裂部位及描述見表1，裂縫數(shù)量匯總統(tǒng)計見表2，典型裂縫照片見圖2。

圖2 典型裂縫照片

表1 部分嚴(yán)重裂縫開裂部位及描述

表2 主橋三角區(qū)裂縫病害匯總

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

3 病害專項檢測及分析

3.1 專項檢測

根據(jù)外觀檢測結(jié)果，主橋右側(cè)桁片下弦桿與弦下斜桿交接面開裂貫通，裂縫寬度達5 cm；部分拱上豎桿出現(xiàn)全截面開裂，最大裂縫寬度達15 mm，已發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，存在桿件失穩(wěn)傾向。橋梁管理部門及時封閉了該橋交通，并組織了橋梁專項檢測工作。

為進一步確定橋梁實際受力及實際承載能力狀況，對橋梁進行靜動載試驗，在測試結(jié)構(gòu)整體變形及關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)變的同時，針對下弦桿與弦下斜桿交接面開裂等病害，在裂縫區(qū)布置了大量的傳感器，監(jiān)測試驗過程裂縫的開展?fàn)顩r。

荷載試驗結(jié)果表明：① 各靜載試驗工況下，三角區(qū)裂縫開展明顯，實測裂縫開展最大值為0.10 mm，表明裂縫受荷載影響較大，影響結(jié)構(gòu)整體受力性能；② 各靜載試驗工況下，主橋三角區(qū)下弦桿與弦下斜桿交接面處存在明顯相對縱向位移，最大值0.13 mm，表明該處結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，連接剛度出現(xiàn)較大削弱，承載力明顯下降;③ 卸載后，主橋三角區(qū)典型裂縫縫寬未能恢復(fù)至加載前狀態(tài)，相對殘余存在大于20%的情況，最大達50.0%，說明部分裂縫測點處結(jié)構(gòu)已不處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 病害成因分析

綜合此次專項檢測結(jié)果和歷年定期檢測報告，結(jié)合幾年來橋梁的運營狀況，分析其病因如下：

(1)橋上交通日益繁忙，過橋重車明顯增多。

根據(jù)收集到的該橋周邊觀測站1、2、3的交通量狀況，觀測站1在2015年交通量觀測量為10 241 pcu/d，交通量構(gòu)成中，客貨車的比例為3.31∶1(自然數(shù))，貨車低于客車；觀測站2在2015年交通量觀測量為12 927 pcu/d，交通量構(gòu)成中，客貨車的比例為1.98∶1(自然數(shù))，貨車低于客車；觀測站3在2015年交通量觀測量為14 400 pcu/d，交通量構(gòu)成中，客貨車的比例為0.89∶1(自然數(shù))，貨車高于客車。隨著各大工業(yè)園區(qū)的崛起，貨物、商品、人員流通不斷增長，該橋上交通日益繁忙，過橋重車明顯增多，是導(dǎo)致橋梁病害發(fā)展的直接原因。

(2)混凝土桁架橋結(jié)構(gòu)輕盈，存在整體剛度小的缺陷，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，交通量的逐年增加，該類橋梁易出現(xiàn)病害。

混凝土桁架橋是繼雙曲拱橋結(jié)構(gòu)之后發(fā)展起來的一種新的輕型橋梁，它具有施工簡便、質(zhì)量輕、造價低、外形美觀等特點，深受橋梁設(shè)計者的青睞，20世紀(jì)80年代起，在中國范圍內(nèi)得到推廣和應(yīng)用。隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，交通量的逐年增加，該類橋梁整體剛度小的缺陷也漸漸表現(xiàn)出來，橋梁易出現(xiàn)裂縫等病害，影響橋梁的正常運營。

(3)三角區(qū)為弦下斜桿、下弦桿及豎桿的相交點，結(jié)構(gòu)受力較集中，應(yīng)力分布復(fù)雜，在超載情況下容易發(fā)生開裂。

根據(jù)2012年檢測報告，三角區(qū)已存在裂縫，弦下豎桿、弦下斜桿未見明顯的受力裂縫。經(jīng)過幾年的運營，2017年檢測發(fā)現(xiàn)22號跨22號墩處右側(cè)三角區(qū)病害較嚴(yán)重，三角區(qū)短豎桿出現(xiàn)斜裂縫，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)相對錯動；其余三角區(qū)病害均表現(xiàn)為混凝土開裂，結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)錯動跡象，疑為施工時三角區(qū)先后澆筑混凝土因齡期差異、收縮徐變等引起的新舊混凝土結(jié)合面開裂，在超載作用下，容易造成裂縫進一步擴大。弦下斜桿與下弦桿交接處節(jié)點剛度受到嚴(yán)重削弱后，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)力重分布，導(dǎo)致弦下豎桿出現(xiàn)受力裂縫，弦下豎桿發(fā)生破壞性損傷，危及橋梁整體結(jié)構(gòu)安全。

4 加固設(shè)計及效果驗證

根據(jù)檢測報告，主橋弦下斜桿與下弦桿交接面普遍存在裂縫，最大縫寬達5.0 cm。經(jīng)綜合比選，最終確定采用外包混凝土結(jié)合外包鋼板進行增大截面加固，恢復(fù)三角區(qū)節(jié)點剛度，通過植筋、對拉精軋螺紋鋼筋來增強新舊混凝土結(jié)合的方法進行加固。加固示意見圖3。

圖3 三角區(qū)加固示意圖(單位：cm)

選擇主橋3號跨3號墩右桁片弦下斜桿與下弦桿交接處三角區(qū)，采用大型通用有限元軟件Ansys建立實體有限元子模型，用Solid45模擬原結(jié)構(gòu)混凝土，用Link10模擬原結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束和加固精軋螺紋鋼，用Solid65模擬外包混凝土，用Shell63模擬豎桿、斜桿的加固鋼板和三角區(qū)加固混凝土的側(cè)面外包鋼板。在每一分析工況下節(jié)點區(qū)受力平衡，節(jié)點區(qū)子結(jié)構(gòu)分析模型總計截斷7根桿件，從全橋模型中提取豎桿、斜桿、水平弦桿截斷處(6處)的內(nèi)力(彎矩、剪力、軸力)并施加于子模型，在弦下斜桿截斷處施加固定約束。此次計算總計16 728個Solid45實體單元，830個Link10桿單元，4 056個Shell63殼單元，8 716個Solid65實體單元，總計29 729個節(jié)點。弦下斜桿與下弦桿交接面存在裂縫，最大縫寬達5.0 cm，在實施三角區(qū)外包混凝土加固前，先用裂縫補強材料進行灌縫補強，結(jié)構(gòu)分析時偏保守地把交接面5 cm厚的單元材料彈性模量乘以折減系數(shù)0.01。三角區(qū)結(jié)構(gòu)離散見圖4。

圖4 三角區(qū)結(jié)構(gòu)離散圖

4.1 恒載作用下三角區(qū)結(jié)構(gòu)分析

恒載作用下外包混凝土應(yīng)力計算結(jié)果見圖5、6。

由圖5、6可見：

圖5 外包混凝土主拉應(yīng)力(單位：Pa)

(1)恒載作用下外包混凝土主拉應(yīng)力最大值為4.51 MPa，發(fā)生在三角區(qū)尾部弦下斜桿與下弦桿交接處倒角處。

(2)恒載作用下外包混凝土主壓應(yīng)力最大值為-8.48 MPa，發(fā)生在三角區(qū)后端外包混凝土與弦下斜桿相接處，主壓應(yīng)力最大值小于C50軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值(-32.4 MPa)。

圖6 外包混凝土主壓應(yīng)力(單位：Pa)

4.2 恒載與活載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下三角區(qū)結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)弦下斜桿軸力最大時，弦下斜桿與下弦桿交接面的水平方向分力最大，對外包混凝土受力最不利。對弦下斜桿軸力最大工況進行計算，外包混凝土應(yīng)力分布見圖7、8，加固鋼板Von Mises應(yīng)力分布見圖9。

圖7 混凝土主拉應(yīng)力(單位：Pa)

圖8 混凝土主壓應(yīng)力(單位：Pa)

圖9 加固鋼板Von Mises應(yīng)力(單位：Pa)

由圖7～9可見：

(1)恒載與活載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下外包混凝土主拉應(yīng)力最大值為4.10 MPa，發(fā)生在三角區(qū)尾部外包混凝土與豎桿相接處。

(2)恒載與活載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下外包混凝土主壓應(yīng)力最大值為-12.6 MPa，發(fā)生在三角區(qū)后端外包混凝土與弦下斜桿相接處，主壓應(yīng)力最大值小于C50軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值(-32.4 MPa)。

(3)加固鋼板Von Mises應(yīng)力最大值為111 MPa，小于Q345B設(shè)計強度310 MPa。

下弦桿與弦下斜桿交接處的外包混凝土主拉應(yīng)力見圖10。由圖10可見：該處最大主拉應(yīng)力為3.79 MPa。

圖10 外包混凝土主拉應(yīng)力(單位：Pa)

該橋維修加固工作完成后又開展了一次交工驗收荷載試驗，結(jié)合三角區(qū)施工時預(yù)埋應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)和外包鋼板上粘貼應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)，與理論計算應(yīng)變進行比較，可知：三角區(qū)內(nèi)外應(yīng)變基本協(xié)調(diào)，各級加載應(yīng)變值線性變化，實測應(yīng)變與理論應(yīng)變的比值為0.54～0.85之間，小于1.0。說明維修加固后外包混凝土和鋼板與原結(jié)構(gòu)共同參與受力，三角區(qū)強度滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

(1)混凝土桁架橋具有施工簡便、質(zhì)量輕、造價低、外形美觀等特點。但隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，交通量的逐年增加，該類橋梁整體剛度小的缺陷也漸漸表現(xiàn)出來，橋梁易出現(xiàn)裂縫等病害，影響橋梁的正常運營。該類結(jié)構(gòu)橋梁的養(yǎng)護應(yīng)更加注重定期檢測，重點關(guān)注結(jié)構(gòu)受力較集中、應(yīng)力分布復(fù)雜部位的工作狀況，做到防微杜漸，以保安全。

(2)根據(jù)裂縫特點及結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，經(jīng)綜合比選，最終確定采用外包混凝土結(jié)合粘貼鋼板法對主橋弦下斜桿與下弦桿交接處三角區(qū)進行加固。有限元分析結(jié)果表明：加固后三角區(qū)應(yīng)力滿足設(shè)計要求，成橋荷載試驗驗證維修加固后外包混凝土和鋼板與原結(jié)構(gòu)共同參與受力，三角區(qū)強度滿足設(shè)計要求。