淺談大跨徑變截面連續(xù)梁橋的病害及加固處理
2015-03-24
一、原設(shè)計(jì)情況介紹
大成橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用65.94+100+65.94m三孔變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，全長231.88m。分離式左右幅橋梁總寬25.5m。每半幅橋箱梁頂面寬度為12.5m，底面寬度為6.9m，翼緣板長為2.8m，箱梁根部斷面梁高為5.5m，跨中及邊跨合攏段斷面梁高為2.3m。底板厚度箱梁根部斷面為70cm，跨中及邊跨合攏斷面為30cm。頂板厚度為30cm，腹板厚度采用40cm、60cm兩種。
主梁采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束分頂板束和底板束兩種，橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用采用一端張拉方式，張拉端錨具采用GZ5-24型弗氏錨具，非張拉端配置DM5B-24鐓頭錨板；豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直徑為25mm的高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋，采用梁頂一端張拉方式，配φ25軋絲錨具。
二、病害情況介紹
該橋主橋在2009年進(jìn)行全面外觀檢查，結(jié)果表明，該橋的主要病害是主梁的開裂和梁體下?lián)希?br />
（一）主梁開裂
1）箱梁外表面開裂：大成橋主橋混凝土箱梁開裂現(xiàn)象嚴(yán)重。該橋曾于2009年進(jìn)行了橋梁檢測，結(jié)果表明西幅橋主橋箱梁腹板處有兩條沿腹板向上的斜裂縫，一條裂縫位于主橋南側(cè)邊跨距南側(cè)邊支點(diǎn)約10～15m，由腹板底部延伸到腹板頂部，裂縫寬度為0.69mm，長度約為3～4m。另一條裂縫位于主橋南側(cè)邊跨距南側(cè)邊支點(diǎn)約15～20m，由腹板底部延伸到腹板頂部，裂縫寬度為0.39mm，長度約為4～5 m。
2）箱梁內(nèi)表面開裂：箱梁內(nèi)部混凝土開裂嚴(yán)重，且各跨裂縫特征相似。箱梁內(nèi)部裂縫有以下特點(diǎn)：
?、?、各跨箱梁腹板和頂板均有裂縫，箱梁底板由于雜物堆積未見開裂現(xiàn)象。
②、箱梁腹板裂縫主要為斜向裂縫，越靠近跨中傾斜角度越小，在跨中4m 范圍內(nèi)為豎向裂縫；箱梁頂板裂縫為順橋向裂縫，箱梁頂板裂縫主要集中在各幅橋箱梁中心線附近。
（二）主梁下?lián)锨闆r
考慮本橋施工未設(shè)永久水準(zhǔn)基點(diǎn)，實(shí)測中在不封閉交通情況下以墩頂橋面為基準(zhǔn)點(diǎn)，量測橋面相對高程，確定箱梁相對下?lián)现?，測得主橋主跨1/4跨位置的下?lián)现禐?8cm；主橋主跨1/2跨位置的下?lián)现禐?2cm；主橋主跨3/4跨位置的下?lián)现禐?5cm。
三、主要病害原因分析
1．腹板斜裂縫
從上述橋梁病害情況介紹可知，本橋腹板斜裂縫病害嚴(yán)重。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性，引起斜裂縫的原因是主拉應(yīng)力超過混凝土容許主拉應(yīng)力值。橋梁結(jié)構(gòu)的縱橫雙向受力耦合是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)主應(yīng)力增大，以及產(chǎn)生腹板斜裂縫的主要原因。若取箱梁縱向最大主拉應(yīng)力處的正應(yīng)力σx和剪應(yīng)力τy，與對應(yīng)位置箱梁橫向受力條件下腹板的彎拉應(yīng)力為豎向應(yīng)力σy。重新計(jì)算主拉應(yīng)力，則腹板主拉應(yīng)力明顯增大，再加上車輛超載，此應(yīng)力更大。
2．頂板縱裂縫
本橋箱梁頂板為普通鋼筋混凝土構(gòu)件，在箱梁正常使用荷載下根據(jù)橫向受力分析結(jié)果，其應(yīng)力和裂縫寬度均滿足設(shè)計(jì)要求，局部可能出現(xiàn)縱向裂縫，但不至引起通長縫。進(jìn)一步分析箱梁頂板中心下緣的縱向裂縫嚴(yán)重區(qū)域的原因，可歸結(jié)為以下三方面因素影響：
1）車輪輪重超載：由于箱梁頂板橫向彎曲荷載主要來自車輪重量，車輛超載會引起頂板彎矩大幅度增加甚至成倍增加，導(dǎo)致頂板開裂嚴(yán)重，無法恢復(fù)。
2）頂板鋼筋位置偏差：本橋箱梁頂板下緣鋼筋凈保護(hù)層厚度與頂板總厚度均較薄，鋼筋安裝偏差對鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度的影響很敏感。
3）箱梁施工養(yǎng)護(hù)和混凝土品質(zhì)：箱梁頂板后澆于底板和腹板，其受力類似兩端固定單向板，干縮較大的混凝土或未妥善養(yǎng)護(hù)，可在箱梁頂板板底中央下緣薄弱處集中形成水平縱向干縮裂縫。
3．主梁下?lián)?br />
成橋恒載受力變形不是主梁下?lián)现饕蛩亍８鶕?jù)常規(guī)分析可判斷本橋主梁下?lián)现饕梢韵聨追矫嬉蛩卦斐桑?br />
1）混凝土徐變影響：從主橋成橋至今收縮徐變是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向撓度的主要原因之一。
2）施工誤差：本橋未進(jìn)行專項(xiàng)施工控制，施工中標(biāo)高控制誤差難避免；經(jīng)查施工記錄，各懸澆步驟施工時(shí)間相差大，部分梁段一個(gè)循環(huán)時(shí)間縮至5天（混凝土齡期不到3天），預(yù)應(yīng)力損失及成橋徐變撓度增大；因梁頂標(biāo)高偏差而增厚橋面鋪裝，主跨跨中荷載增大造成下?lián)显黾?。因無施工及成橋標(biāo)高記錄，其影響難估量。
3）預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕：因壓漿工藝和環(huán)境氣候等影響，引起后期鋼絞線銹蝕，導(dǎo)致橋梁病害使承載力下降、撓度加大，已在多座橋梁得到驗(yàn)證。
4）使用荷載超限：目前車輛超載普遍，超過橋梁設(shè)計(jì)荷載車輛頻繁過橋，將直接導(dǎo)致橋關(guān)鍵部位出現(xiàn)無法恢復(fù)變形，可造成主跨跨中異常下?lián)稀?br />
四、加固設(shè)計(jì)情況
（一）加固措施
?。?）抑制腹板裂縫措施
通過腹板內(nèi)側(cè)加厚腹板，并在其內(nèi)增設(shè)縱向腹板束，來大大改善箱梁腹板縱、橫向主拉應(yīng)力狀況，進(jìn)而在后期運(yùn)營過程中，抑制腹板裂縫進(jìn)一步發(fā)展。
?。?）增設(shè)底板體外縱向預(yù)應(yīng)力鋼束及腹板束
在箱體內(nèi)布置底板體外束及腹板束來提高橋梁的承載力，同時(shí)對改善結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力情況、減少結(jié)構(gòu)的豎向撓度以都起到一定的作用。使維護(hù)后的結(jié)構(gòu)維持汽車-20級、掛車-100標(biāo)準(zhǔn)，并保證有一定的安全儲備。
（3）箱體裂縫處理
裂縫寬度≥0.15mm的裂縫采用壓漿法進(jìn)行修補(bǔ)，裂縫寬度＜0.15mm的裂縫采用封閉法進(jìn)行修補(bǔ)，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性能。
該加固措施可維持橋上通車，同時(shí)兼顧提高主梁壓應(yīng)力儲備、降低腹板主拉應(yīng)力和降低頂板受力、提高結(jié)構(gòu)的抗彎及抗剪承載能力、減小結(jié)構(gòu)撓度等多方面要求，并不影響橋梁外觀，圬工工程施工工藝也較簡單。
（二）加固設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)
?。?）主橋預(yù)應(yīng)力布置
本設(shè)計(jì)采用的體外預(yù)應(yīng)力鋼束均為底板束。每幅中跨底板束共設(shè)10束22фs15.2mm（0.6英寸）規(guī)格的高強(qiáng)度低松弛鍍鋅鋼絞線束，每幅每邊跨底板束共設(shè)2束22фs15.2mm（0.6英寸）規(guī)格的高強(qiáng)度低松弛鍍鋅鋼絞線束。每跨體外預(yù)應(yīng)力鋼束均錨固于混凝土齒板上。各跨底板束除錨固區(qū)外，其余部分均沿底板頂面平行布設(shè)。中跨底板束采用鉆孔的方式通過跨中橫隔板。底板體外預(yù)應(yīng)力鋼束張拉力取鍍鋅鋼絞線破斷強(qiáng)度1670MPa的65%，即單根鋼絞線張拉力為150.9KN。
中跨及邊跨兩腹板內(nèi)側(cè)均布置兩束19фs15.2mm（0.6英寸）規(guī)格的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線束，固定端鋼束錨固于箱梁腹板加厚段內(nèi)，張拉端鋼束均交叉錨固于墩頂橫隔板及斜錨塊上。各跨腹板束除彎起范圍及錨固區(qū)外，其余部分均沿底板頂面、頂板底面平行布設(shè)。所有腹板束均采用鉆孔的方式通過主墩橫隔板。腹板預(yù)應(yīng)力鋼束張拉力取鋼絞線破斷強(qiáng)度1860MPa的75%，即單根鋼絞線張拉力為193.9KN。
（2）主橋主要錨固構(gòu)造
底板體外束錨固構(gòu)造：在保證不破壞原結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束的條件下，箱體內(nèi)增設(shè)新齒板，采用植筋技術(shù)及在新舊混凝土接觸面鑿出剪力槽，使現(xiàn)澆齒板通過底板抗剪承受體外索張拉力。
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1．確保了該橋的極限承載能力
通過增設(shè)腹板束及底板體外縱向預(yù)應(yīng)力鋼束來提高主梁的極限承載能力，確保該橋不低于原設(shè)計(jì)荷載所具有的承載能力，并有一定的安全儲備。
2．增大了主梁的應(yīng)力儲備
維護(hù)計(jì)算結(jié)果表明，通過增設(shè)腹板束及底板體外縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，有效地增加了橋梁跨中下緣的正應(yīng)力儲備，使得在橋梁最不利荷載組合下，跨中下緣正應(yīng)力比原結(jié)構(gòu)提高了7.2MPa，因此維護(hù)后的應(yīng)力狀態(tài)遠(yuǎn)好于原結(jié)構(gòu)。
3．有效地抑制腹板斜裂縫進(jìn)一步發(fā)展
通過增設(shè)腹板束、底板體外縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，尤其是加厚腹板厚度后，大大改善了腹板主拉應(yīng)力狀況，為后期運(yùn)營階段有效地抑制裂縫的繼續(xù)開展提供了強(qiáng)有力的保證。在加固處理以后，在考慮縱橫向應(yīng)力耦合的情況下，結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力仍滿足規(guī)范要求。
4．橋面撓度
通過增設(shè)腹板束、底板體外束、齒板及加厚腹板后，中跨跨中變形得到了一定的改善，產(chǎn)生了一定的反拱度。
（四）加固施工中新增腹板裂縫的處理
為保證在施工過程中新增腹板裂縫數(shù)量和寬度得到有效控制以滿足規(guī)范要求，采取了以下三方面措施：
1．增加抗裂水平筋，提高抗裂含筋率。
2．提前張拉部分預(yù)應(yīng)力使新增腹板處于一定預(yù)壓狀態(tài)。
3．盡量減小水泥和水用量，以減少混凝土收縮。
五、結(jié)語
該橋開創(chuàng)了東北地區(qū)在部分維持通車情況下在箱內(nèi)澆注大批量混凝土配合體內(nèi)束及體外束加固多跨大跨徑連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的先例，該橋于2012年8月開工進(jìn)行維修加固，2003年竣工通車。經(jīng)1年多的通車營運(yùn)，該橋使用狀況良好，該橋的成功加固維修，為今后類似橋梁的加固積累了經(jīng)驗(yàn)，特此成文以供同行參考指正。
