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，該橋在建成通車數年后發(fā)現箱梁頂板、腹板和底板存在不同程度的開裂，同時粱體存在一定的下撓。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的影響，使得結構在不同部位出現病害：
(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生橫向拉應力，進而在汽車荷載作用下產生橫向彎矩而開裂，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)主梁下撓：多表現為中跨跨中下撓，下撓量與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年下撓量可達100ram，而某主跨245m連續(xù)剛構9年下撓量達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，使得主梁下撓加劇；而主梁的下撓又會反過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。根據結構現有受力狀態(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撓。工程實踐中應根據結構的受力特點和實際病害狀況，綜合考慮受力的合理性、經濟性以及對交通運營的影響等因素，選擇適當的方案。
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，裂縫在箱梁內外側腹板均有分布，而在歷次的檢查中發(fā)現該類裂縫在逐年發(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對結構進行驗算后發(fā)現，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，抑制結構下撓?？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象，其最大閉合量為0.046mm；各孔跨中底板及各墩墩頂的應力時程曲線呈現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、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，通過適當的施加體外預應力，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。
