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(shè)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(chǔ)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(gòu)造特點、設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗剪能力不足引起的。在早期的橋梁設(shè)計中,對混凝土結(jié)構(gòu)特l生認識不足,在優(yōu)化設(shè)計思想的指導下,往往使得結(jié)構(gòu)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jié)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(gòu)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)希聯(lián)狭颗c跨徑大小和運營時間長短有關(guān)。主跨80~100m的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)10年下?lián)狭靠蛇_100ram,而某主跨245m連續(xù)剛構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)展。因而對于該類結(jié)構(gòu)病害應及時發(fā)現(xiàn)和處理,避免為結(jié)構(gòu)的安全運營帶來隱患。
2、病害處理方法
在不改變原有結(jié)構(gòu)體系的情況下,混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力的主動加固法。
(1)增大截面法。通過加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸,增加構(gòu)件的剛度,從而達到提高結(jié)構(gòu)承載力的效果。
(2)粘貼鋼板/碳纖維法。通過在結(jié)構(gòu)構(gòu)件弱處粘貼鋼板或纖維布,從而改善結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)承載力的目的。
(3)體外預應力法。根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有受力狀態(tài),通過合理布置體外預應力鋼束改善結(jié)構(gòu)受力,補償實際橋梁結(jié)構(gòu)部分梁段預應力度不足,并抑制結(jié)構(gòu)的進一步下?lián)稀9こ虒嵺`中應根據(jù)結(jié)構(gòu)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(shè)計荷載為汽一超2O、掛一120級。
3.2 結(jié)構(gòu)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(shè)計要求;另一方面,原設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài),對主梁采用主動與被動相結(jié)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(jié)構(gòu)耐久性。
(2)對主跨施加體外預應力,以提高主梁結(jié)構(gòu)預應力度,補償實際結(jié)構(gòu)部分梁段預應力度不足,同時可改善結(jié)構(gòu)的變形趨勢,抑制結(jié)構(gòu)下?lián)?。可以看出,體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(jié)構(gòu)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(jié)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(gòu)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(jié)構(gòu)共同作用,使得結(jié)構(gòu)剛度有所提高,進一步提高結(jié)構(gòu)的承載力。
上述結(jié)果表明,對結(jié)構(gòu)進行的維修加固使得結(jié)構(gòu)受力有了較為明顯的改善,而結(jié)構(gòu)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(jié)語
大跨度預應力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)的病害正在受到越來越多的關(guān)注,由于這類病害產(chǎn)生原因的復雜性,對結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)受力狀態(tài),遏制結(jié)構(gòu)病害的進一步發(fā)展。
