預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁彎橋斜向裂縫病害成因分析及加固方案研究

李永波

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

1 工程概況

某立交匝道橋，建成于 2008年。該橋共三聯(lián)，跨徑布置為(20+3×21+20)m+5×25.5m+5×20m；橋梁全長(zhǎng)為 336.5m；該橋?yàn)榍€橋, 其中，第二聯(lián)平面位于R=90m的圓曲線，第一聯(lián)、第三聯(lián)位于緩和曲線。該橋橋面凈寬為 7.5m，兩側(cè)均設(shè)置寬度為0.50m 的混凝土護(hù)欄；橋面鋪裝采用瀝青混凝土；設(shè)4道型鋼伸縮縫，分別位于0號(hào)臺(tái)頂、15號(hào)臺(tái)頂和5號(hào)墩頂、10號(hào)墩頂。 每聯(lián)2個(gè)中墩均為墩梁固結(jié)(第一聯(lián)的2號(hào)墩、3號(hào)墩，第二聯(lián)的7號(hào)墩、8號(hào)墩，第三聯(lián)的12號(hào)墩、13號(hào)墩)，邊墩、臺(tái)設(shè)雙支座，次邊墩設(shè)單支座，支座均采用盆式橡膠支座。上部結(jié)構(gòu)均為等截面現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，第一聯(lián)、第三聯(lián)箱梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用滿堂支架現(xiàn)澆施工；第二聯(lián)箱梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用支架逐孔現(xiàn)澆施工；箱梁兩側(cè)腹板等高度，橋面橫坡由箱梁整體旋轉(zhuǎn)形成，最大橋面橫坡7%。下部結(jié)構(gòu)：橋臺(tái)采用肋板臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)；橋墩：第5號(hào)墩、10號(hào)墩為雙柱式方形墩，其余均為圓形獨(dú)柱墩，7號(hào)墩采用樁基礎(chǔ)，其余墩均采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。該橋上部結(jié)構(gòu)未設(shè)置預(yù)偏心。

2013年，該橋第二聯(lián)箱梁邊跨底板及腹板出現(xiàn)一些斜向裂縫，第一聯(lián)、第三聯(lián)箱梁底板出現(xiàn)多條橫向裂縫，兩側(cè)腹板出現(xiàn)多條豎向裂縫，且經(jīng)計(jì)算，該橋支座承載力不滿足要求，基于上述病害和問(wèn)題，對(duì)該橋進(jìn)行了加固和維修，具體方案如下：

(1)墩柱改造：連續(xù)墩(第一聯(lián)1號(hào)墩、4號(hào)墩，第二聯(lián)6號(hào)墩、9號(hào)墩，第三聯(lián)11號(hào)墩、14號(hào)墩)墩頂通過(guò)外包混凝土形成混凝土小蓋梁，并增設(shè)2個(gè)支座，將原來(lái)的單支座改造為3支座，增多支撐點(diǎn)。新增支座與原支座間距為1.5m，新增支座在恒載作用下與梁體接觸但不受力，在活載作用下發(fā)揮作用。3支座支撐系統(tǒng)解決了結(jié)構(gòu)的抗傾覆、支座承載力不足問(wèn)題，但主梁抗扭不足問(wèn)題依然存在。其余墩均采用外包混凝土加固，且對(duì)墩柱塑性鉸區(qū)加強(qiáng)箍筋配置，增強(qiáng)墩柱在地震作用下的抗剪能力。

(2)主梁加固：第一、三聯(lián)鋼筋混凝土箱梁底板、腹板縱向粘貼鋼板；第二聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁未進(jìn)行加固。

(3)常規(guī)病害維修：對(duì)裂縫進(jìn)行封閉處理。

2 主要病害

2021年，根據(jù)業(yè)主要求，對(duì)該橋第二聯(lián)進(jìn)行了專項(xiàng)檢測(cè)，重點(diǎn)檢查了第二聯(lián)箱梁裂縫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，該橋第二聯(lián)(第6孔至第10孔)箱梁腹板出現(xiàn)多條斜向、豎向裂縫，底板出現(xiàn)多條斜向裂縫，腹板斜向、豎向裂縫和底板斜向裂縫主要集中在邊跨(第6孔和第10孔)。具體如下：

(1)外側(cè)腹板斜向、豎向裂縫

第6孔外側(cè)腹板距5號(hào)墩1.9～14.6m范圍內(nèi)，共計(jì)13條斜向裂縫，裂縫長(zhǎng)度為0.7～1.6m，寬度為0.08～0.35mm，大部分裂縫發(fā)展至腹板頂緣，有3條斜向裂縫向底板延伸0.17～0.2m，其中距5號(hào)墩10.1m處斜向裂縫長(zhǎng)度為1.16m，寬度為0.35mm，深度為110mm(裂縫處腹板設(shè)計(jì)厚度為40cm)，見(jiàn)圖1。距5號(hào)墩11.3m、17.3m處各有1條豎向裂縫，裂縫長(zhǎng)度分別為0.5m、0.86m，寬度分別為0.1mm、0.15mm，其中1條豎向裂縫向底板延伸0.2m。

圖1 第6孔箱梁外側(cè)腹板斜向裂縫展開(kāi)圖

第10孔外側(cè)腹板距10號(hào)墩4.2～13m范圍內(nèi)，共計(jì)16條斜向裂縫，裂縫長(zhǎng)度為0.4～1.3m，寬度為0.08～0.2mm，大部分裂縫發(fā)展至腹板頂緣，其中距10號(hào)墩9.5m處斜向裂縫長(zhǎng)度為1.3m，寬度為0.2mm，深度為75mm(裂縫處腹板設(shè)計(jì)厚度為40cm)，該條斜向裂縫向底板延伸0.2m。距10號(hào)墩13.6m處有1條豎向裂縫，裂縫長(zhǎng)度為0.8m，寬度分別為0.1mm，該條豎向裂縫向底板延伸0.4m。

(2)底板斜向裂縫

第6孔底板距5號(hào)墩5～21m范圍內(nèi)，共計(jì)36條斜向裂縫，裂縫長(zhǎng)度為0.5～5.0m，寬度為0.1～0.25mm，局部滲水泛堿，裂縫間距為0.2～0.4m，裂縫走向均為從連續(xù)端外側(cè)向簡(jiǎn)支端內(nèi)側(cè)發(fā)展。

第10孔底板距10號(hào)墩0～17m范圍內(nèi)，共計(jì)29條斜向裂縫，裂縫長(zhǎng)度為0.5～4.5m，寬度為0.1～0.35mm，局部滲水泛堿，裂縫間距為0.1～0.4m，裂縫走向均為從連續(xù)端外側(cè)向簡(jiǎn)支端內(nèi)側(cè)發(fā)展。

圖2 第6孔箱梁底板斜向裂縫展開(kāi)圖(單位：mm)

3 計(jì)算與分析

3.1 計(jì)算模型及荷載

采用空間有限元計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3所示，主梁跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖見(jiàn)圖4。

圖3 5×25.5m連續(xù)箱梁計(jì)算模型(曲線半徑R=90m)

圖4 主梁跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖(單位：mm)

荷載主要包括永久作用和可變作用，具體如下：

(1)永久作用

自重：自重系數(shù)為1.04。

二期恒載：橋面鋪裝(6cm調(diào)平層+9cm瀝青混凝土)27.5kN/m；護(hù)欄16.6 kN/m(雙側(cè))。

(2)可變作用

汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)按原橋設(shè)計(jì)規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)取值，汽車荷載為公路-I級(jí)，活載按2車道計(jì)算。

制動(dòng)力、溫度等其他作用按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)取值。

3.2 簡(jiǎn)支端支反力及主梁受力現(xiàn)狀

恒載作用下支反力見(jiàn)圖5、主梁扭矩見(jiàn)圖6，預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)產(chǎn)生的主梁扭矩圖見(jiàn)圖7。

圖5 恒載作用下支反力(單位：kN)

圖6 恒載作用下主梁扭矩(單位：kN·m)

圖7 預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)產(chǎn)生的主梁扭矩(單位：kN·m)

計(jì)算結(jié)果表明，恒載作用下，該橋第二聯(lián)簡(jiǎn)支端曲線內(nèi)側(cè)支座與外側(cè)支座受力差別過(guò)大：5號(hào)墩內(nèi)側(cè)支反力為207.1kN，外側(cè)支反力為2003.4kN；10號(hào)墩內(nèi)側(cè)支反力為394.0kN，外側(cè)支反力為1890.2kN。簡(jiǎn)支端內(nèi)、外側(cè)支反力的巨大差異導(dǎo)致邊跨承受過(guò)大的扭矩，兩側(cè)邊跨最大扭矩分別為4500.7kN·m、3751.3kN·m。對(duì)恒載作用進(jìn)一步分析可知，產(chǎn)生扭矩的主要因素是預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)(約占74%～87%)，其次是結(jié)構(gòu)自重及二期恒載偏心。

3.3 病害成因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和計(jì)算分析結(jié)果，該橋第二聯(lián)箱梁邊跨腹板、底板產(chǎn)生斜向裂縫的主要原因是設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致邊跨承受扭矩過(guò)大。具體如下：

(1)預(yù)應(yīng)力束布置不合理。由于設(shè)計(jì)時(shí)未考慮彎橋的受力特點(diǎn)，該橋箱梁預(yù)應(yīng)力束布置與直線橋一樣，內(nèi)外側(cè)腹板對(duì)稱布置。對(duì)于彎箱梁截面，預(yù)應(yīng)力對(duì)剪心存在力臂而產(chǎn)生扭矩，在對(duì)稱布筋的情況下，由于腹板束沿梁長(zhǎng)大部分位于截面剪心以下，腹板束和底板束產(chǎn)生的徑向力引起的偏心彎矩，導(dǎo)致主梁承受過(guò)大扭矩。

(2)未設(shè)置預(yù)偏心。曲線橋截面外緣尺寸大于內(nèi)緣尺寸，截面重心偏移主梁中心線，而該橋未設(shè)置預(yù)偏心，恒載偏心產(chǎn)生的扭矩加劇了主梁的負(fù)擔(dān)。

3.4 加固方案

2011年，姜斌等[1]研究表明，預(yù)應(yīng)力筋的不對(duì)稱布置方式能改善恒載作用下曲線梁橋的扭矩分布，但該橋主梁截面為寬翼緣箱形截面，截面剪心偏上，在外側(cè)腹板增加預(yù)應(yīng)力束，無(wú)法減小主梁扭矩。黃龍?zhí)锏萚2]提出對(duì)主梁粘貼鋼板+焊接鋼筋形成閉環(huán)套箍的方法，增強(qiáng)主梁抗扭承載能力，但該方法需要對(duì)主梁翼緣根部鉆孔使鋼筋穿過(guò)，鉆孔施工對(duì)主梁可能造成損傷，且加固效果無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。本項(xiàng)目借鑒黃躍平等[3]提出的方法，通過(guò)頂升調(diào)整主梁變形和受力，改善恒載作用下主梁的扭矩分布。

對(duì)第二聯(lián)箱梁5號(hào)墩和10號(hào)墩內(nèi)側(cè)支座位向上支頂，對(duì)比不同頂升高度下簡(jiǎn)支端支反力及主梁扭矩變化情況，頂升前、后簡(jiǎn)支端支反力見(jiàn)表1，頂升前、后主梁扭矩見(jiàn)表2。

表1 第二聯(lián)主梁頂升前、后簡(jiǎn)支端支反力對(duì)比表

表2 第二聯(lián)主梁頂升前、后主梁扭矩對(duì)比表

方案比選：上述計(jì)算結(jié)果表明，頂升能有效改善支反力和主梁扭矩分布。綜合考慮不同頂升高度下主梁扭矩和簡(jiǎn)支端曲線內(nèi)、外側(cè)支反力情況，最終選取方案為：5號(hào)墩曲線內(nèi)側(cè)頂升3cm，10號(hào)墩曲線內(nèi)側(cè)頂升2.5cm。頂升后，恒載作用下邊跨扭矩減小3387.3kN·m，但中墩支點(diǎn)附近扭矩有所增大，恒載作用下扭矩增加945.3kN·m；簡(jiǎn)支端曲線內(nèi)外側(cè)支座在恒載作用下支反力差值明顯減小，5號(hào)墩曲線內(nèi)、外側(cè)支反力差值由1796.3kN減小至452.3kN，10號(hào)墩曲線內(nèi)、外側(cè)支反力差值由1496.2kN減小至409.4kN。

4 結(jié)論

(1)獨(dú)柱式曲線橋梁受力復(fù)雜，主梁預(yù)應(yīng)力布置方式應(yīng)根據(jù)主梁受力特點(diǎn)采取非對(duì)稱形式，支座應(yīng)設(shè)置預(yù)偏心，使主梁在恒載作用下處在合理的受力狀態(tài)。

(2)寬翼緣箱梁截面剪心偏上，通過(guò)后增加預(yù)應(yīng)力，難以改善主梁扭矩分布。

(3)對(duì)既有曲線橋梁，通過(guò)頂升的方法，能有效改善支反力和主梁扭矩分布。