大跨度連續(xù)箱梁橋的病害及處理
2015-04-17
引言
預應力混凝土連續(xù)箱梁因其受力合理、跨越能力較強而應用廣泛。在近年的橋梁運營管理中，由于各種非設計因素的影響，預應力混凝土連續(xù)箱梁橋出現(xiàn)了各種病害。以惠河高速公路東江特大橋為例，該橋在建成通車數(shù)年后發(fā)現(xiàn)箱梁頂板、腹板和底板存在不同程度的開裂，同時粱體存在一定的下?lián)?。為了防止這些病害進一步惡化，需在準確分析其成因的基礎上及時采取合理措施進行處理。
1、預應力混凝土連續(xù)箱梁常見病害及分析
連續(xù)箱梁一般采用三向預應力體系，各向預應力在不同程度上能提高混凝土的性能。但由于預應力混凝土連續(xù)箱梁自身的構造特點、設計理念的局限性、施工工藝及控制以及橋梁運營期間的實際荷載等因數(shù)的影響，使得結構在不同部位出現(xiàn)病害：
(1)箱梁頂板開裂：裂縫沿縱向發(fā)展，在橫橋向均勻分布且寬度較小，全橋范圍內(nèi)都有分布。由裂縫的性狀來看，導致結構開裂的原因主要有以下幾個：一方面，由于泊松效應，箱梁頂板在縱向預應力作用下產(chǎn)生橫向拉應力，進而在汽車荷載作用下產(chǎn)生橫向彎矩而開裂，雖然在頂板布置橫向預應力，但由于施工工藝控制等影響，橫向預應力張拉效果難以得到保證。另一方面，預應力位于頂板截面中性軸處，對抵抗橫向彎矩作用不大。此外混凝土早期的收縮變形也是該類裂縫出現(xiàn)的一個誘因。
(2)箱梁腹板開裂：箱梁腹板在主梁四分點附近存在斜向裂縫，裂縫與梁體頂緣線成3O?！?0。角，有的裂縫甚至沿箱梁全高度延伸，寬度在0．5mm以上，通常中跨較邊跨病害嚴重。箱梁腹板斜裂縫主要是由于結構抗剪能力不足引起的。在早期的橋梁設計中，對混凝土結構特l生認識不足，在優(yōu)化設計思想的指導下，往往使得結構構件尺寸偏小，這是導致該類裂縫出現(xiàn)的根本原因之一。同時由于提高構件的抗剪強度的豎向預應力筋較短，且在張拉工藝控制等因數(shù)的影響下，導致預應力損失較大，使得豎向預應力張拉的效果往往不理想，這是導致該類裂縫出現(xiàn)的另一個主要原因。此外在2004版新“橋規(guī)”頒布之前，結構設計對日照溫差荷載均按頂板升溫5℃考慮，大量工程實踐表明，這與實際情況存在較大的偏差，明顯低估了實際溫度梯度荷載的作用，導致設計分析箱梁主拉應力偏小。
(3)箱梁施工縫開裂：箱梁施工縫處腹板底板不同程度存在開裂現(xiàn)象，通常以底板裂縫為主，部分腹板裂縫與底板裂縫貫通。裂縫寬度依病害程度不一，箱梁內(nèi)外均可見，多分布在中跨跨中附近。由于箱梁采用逐段懸澆的施工方法，受施工工藝和施工質(zhì)量等因素的影響，新舊混凝土結合處易在施工階段存在初始缺陷，并在后期運營荷載作用下開裂。同時由于合攏段處預應力施加效果未能達到預期，導致構件局部預應力不足，使得合攏段處開裂最為嚴重。
(4)主梁下?lián)希憾啾憩F(xiàn)為中跨跨中下?lián)?，下?lián)狭颗c跨徑大小和運營時間長短有關。主跨80～100m的連續(xù)梁或連續(xù)剛構10年下?lián)狭靠蛇_100ram，而某主跨245m連續(xù)剛構9年下?lián)狭窟_320ram。2010年第2期 黃明宏大跨度預應力混凝土連續(xù)箱梁橋病害及處理 總第111期該類橋梁的上述病害并非獨立存在，箱梁開裂導致結構剛度降低，使得主梁下?lián)霞觿?；而主梁的下?lián)嫌謺催^來加速結構裂縫的發(fā)展。因而對于該類結構病害應及時發(fā)現(xiàn)和處理，避免為結構的安全運營帶來隱患。
2、病害處理方法
在不改變原有結構體系的情況下，混凝土結構病害處理的方法主要有增大截面法、粘貼鋼板／纖維法和體外預應力法，前兩者屬于被動加固方法，而后者則為主動改善結構受力的主動加固法。
(1)增大截面法。通過加大結構構件尺寸，增加構件的剛度，從而達到提高結構承載力的效果。
(2)粘貼鋼板／碳纖維法。通過在結構構件弱處粘貼鋼板或纖維布，從而改善結構的應力狀態(tài)，限制裂縫的進一步發(fā)展，以達到補強和提高結構承載力的目的。
(3)體外預應力法。根據(jù)結構現(xiàn)有受力狀態(tài)，通過合理布置體外預應力鋼束改善結構受力，補償實際橋梁結構部分梁段預應力度不足，并抑制結構的進一步下?lián)?。工程實踐中應根據(jù)結構的受力特點和實際病害狀況，綜合考慮受力的合理性、經(jīng)濟性以及對交通運營的影響等因素，選擇適當?shù)姆桨浮?br />
3、工程實例
3．1 工程概況
東江特大橋是惠河高速公路跨越東江的一座特大橋，橋梁全長652．11m，主橋為四跨連續(xù)箱梁，跨徑組合45m+2×80m+45m。單幅橋面寬11．38m。主橋箱梁采用變高度單箱單室截面，5O號混凝土，三向預應力體系。設計荷載為汽一超2O、掛一120級。
3．2 結構病害
(1)頂板縱向開裂，裂縫沿縱向通長分布。
(2)腹板斜向開裂，主要集中在中跨四分點附近，裂縫在箱梁內(nèi)外側(cè)腹板均有分布，而在歷次的檢查中發(fā)現(xiàn)該類裂縫在逐年發(fā)展。施工縫開裂，以中跨跨中最為嚴重，最大裂縫寬度0．5mm。造成腹板開裂的原因主要有：一方面，腹板的豎向預應力筋較短，加之張拉效果不理想，使得永存豎向預應力低于設計要求；另一方面，原設計箱梁溫度梯度按85規(guī)范取值，與廣東地區(qū)的實際情況有較大出人。在模擬以上兩個影響因數(shù)對結構進行驗算后發(fā)現(xiàn)，其最大主壓應力小于規(guī)范限值，而最大主拉應力大于規(guī)范限值，且最大主拉應力出現(xiàn)在中跨四分點附近，這與腹板存在較嚴重斜裂縫的位置相吻合。
(3)中跨合攏段腹板、底板不同程度存在開裂，其原因主要是合攏段存在局部預應力不足現(xiàn)象，合攏段在荷載作用下發(fā)生開裂，同時由于在施工過程中混凝土接合面處理不佳，導致施工縫處混凝土不密實，從而使得施工縫處開裂最為嚴重。
3．3 加固措施
針對主梁腹板、施工縫及合攏段病害，根據(jù)荷載試驗反映的結構實際受力狀態(tài)，對主梁采用主動與被動相結合的方法進行加固，其施工的順序為：先封閉裂縫，再施加體外預應力，最后粘貼鋼板。
(1)對箱梁裂縫進行處理，提高結構耐久性。
(2)對主跨施加體外預應力，以提高主梁結構預應力度，補償實際結構部分梁段預應力度不足，同時可改善結構的變形趨勢，抑制結構下?lián)??？梢钥闯觯w外預應力的施加使得箱梁截面主拉應力較張拉前有所減小，且最大主拉應力小于規(guī)范限值；同時最大主壓應力小于規(guī)范限值。
(3)對腹板、底板及合龍段開裂處粘貼鋼板，以提高結構剛度，改善原有鋼筋及混凝土的受力狀態(tài)，限制裂縫的進一步發(fā)展。
3．4 加固效果
加固施工期間進行了施工監(jiān)控，其結果表明：維修加固施工完畢后，由于體外預應力的張拉，使得構裂縫不同程度存在閉合現(xiàn)象，其最大閉合量為0.046mm；各孔跨中底板及各墩墩頂?shù)膽r程曲線呈現(xiàn)明顯的臺階式變化曲線(其應力增量見圖3)，表明在張拉體外索后，該孔跨中截面及墩頂截面壓應力有較為明顯的增加，使得截面的應力狀態(tài)得到改善。同時粘貼的鋼板與結構共同作用，使得結構剛度有所提高，進一步提高結構的承載力。
上述結果表明，對結構進行的維修加固使得結構受力有了較為明顯的改善，而結構整體的加固效果將在橋梁后續(xù)的運營過程進一步體現(xiàn)出來。
4、結語
大跨度預應力混凝土連續(xù)箱梁結構的病害正在受到越來越多的關注，由于這類病害產(chǎn)生原因的復雜性，對結構長期正常運營影響的重要性，筆者建議對其應及早發(fā)現(xiàn)、及早處理。東江特大橋工程實踐表明，采用主動加固與被動加固相結合的方式，通過適當?shù)氖┘芋w外預應力，輔以粘貼鋼板的措施，可以有效地改善結構受力狀態(tài)，遏制結構病害的進一步發(fā)展。
