浅谈大跨径变截面连续梁桥的病害及加固处理
2015-03-24
一、原设计情况介绍
大成桥主桥上部结构采用65.94+100+65.94m三孔变截面预应力混凝土连续箱梁，全长231.88m。分离式左右幅桥梁总宽25.5m。每半幅桥箱梁顶面宽度为12.5m，底面宽度为6.9m，翼缘板长为2.8m，箱梁根部断面梁高为5.5m，跨中及边跨合拢段断面梁高为2.3m。底板厚度箱梁根部断面为70cm，跨中及边跨合拢断面为30cm。顶板厚度为30cm，腹板厚度采用40cm、60cm两种。
主梁采用三向预应力混凝土结构，主桥纵向预应力钢束分顶板束和底板束两种，横向预应力钢束采用采用一端张拉方式，张拉端锚具采用GZ5-24型弗氏锚具，非张拉端配置DM5B-24镦头锚板；竖向预应力钢筋采用直径为25mm的高强精轧螺纹粗钢筋，采用梁顶一端张拉方式，配φ25轧丝锚具。
二、病害情况介绍
该桥主桥在2009年进行全面外观检查，结果表明，该桥的主要病害是主梁的开裂和梁体下挠：
（一）主梁开裂
1）箱梁外表面开裂：大成桥主桥混凝土箱梁开裂现象严重。该桥曾于2009年进行了桥梁检测，结果表明西幅桥主桥箱梁腹板处有两条沿腹板向上的斜裂缝，一条裂缝位于主桥南侧边跨距南侧边支点约10～15m，由腹板底部延伸到腹板顶部，裂缝宽度为0.69mm，长度约为3～4m。另一条裂缝位于主桥南侧边跨距南侧边支点约15～20m，由腹板底部延伸到腹板顶部，裂缝宽度为0.39mm，长度约为4～5 m。
2）箱梁内表面开裂：箱梁内部混凝土开裂严重，且各跨裂缝特征相似。箱梁内部裂缝有以下特点：
①、各跨箱梁腹板和顶板均有裂缝，箱梁底板由于杂物堆积未见开裂现象。
②、箱梁腹板裂缝主要为斜向裂缝，越靠近跨中倾斜角度越小，在跨中4m 范围内为竖向裂缝；箱梁顶板裂缝为顺桥向裂缝，箱梁顶板裂缝主要集中在各幅桥箱梁中心线附近。
（二）主梁下挠情况
考虑本桥施工未设永久水准基点，实测中在不封闭交通情况下以墩顶桥面为基准点，量测桥面相对高程，确定箱梁相对下挠值，测得主桥主跨1/4跨位置的下挠值为18cm；主桥主跨1/2跨位置的下挠值为32cm；主桥主跨3/4跨位置的下挠值为15cm。
三、主要病害原因分析
1．腹板斜裂缝
从上述桥梁病害情况介绍可知，本桥腹板斜裂缝病害严重。根据结构受力特性，引起斜裂缝的原因是主拉应力超过混凝土容许主拉应力值。桥梁结构的纵横双向受力耦合是导致结构主应力增大，以及产生腹板斜裂缝的主要原因。若取箱梁纵向最大主拉应力处的正应力σx和剪应力τy，与对应位置箱梁横向受力条件下腹板的弯拉应力为竖向应力σy。重新计算主拉应力，则腹板主拉应力明显增大，再加上车辆超载，此应力更大。
2．顶板纵裂缝
本桥箱梁顶板为普通钢筋混凝土构件，在箱梁正常使用荷载下根据横向受力分析结果，其应力和裂缝宽度均满足设计要求，局部可能出现纵向裂缝，但不至引起通长缝。进一步分析箱梁顶板中心下缘的纵向裂缝严重区域的原因，可归结为以下三方面因素影响：
1）车轮轮重超载：由于箱梁顶板横向弯曲荷载主要来自车轮重量，车辆超载会引起顶板弯矩大幅度增加甚至成倍增加，导致顶板开裂严重，无法恢复。
2）顶板钢筋位置偏差：本桥箱梁顶板下缘钢筋净保护层厚度与顶板总厚度均较薄，钢筋安装偏差对钢筋应力和裂缝宽度的影响很敏感。
3）箱梁施工养护和混凝土品质：箱梁顶板后浇于底板和腹板，其受力类似两端固定单向板，干缩较大的混凝土或未妥善养护，可在箱梁顶板板底中央下缘薄弱处集中形成水平纵向干缩裂缝。
3．主梁下挠
成桥恒载受力变形不是主梁下挠主要因素。根据常规分析可判断本桥主梁下挠主要由以下几方面因素造成：
1）混凝土徐变影响：从主桥成桥至今收缩徐变是结构产生竖向挠度的主要原因之一。
2）施工误差：本桥未进行专项施工控制，施工中标高控制误差难避免；经查施工记录，各悬浇步骤施工时间相差大，部分梁段一个循环时间缩至5天（混凝土龄期不到3天），预应力损失及成桥徐变挠度增大；因梁顶标高偏差而增厚桥面铺装，主跨跨中荷载增大造成下挠增加。因无施工及成桥标高记录，其影响难估量。
3）预应力钢绞线锈蚀：因压浆工艺和环境气候等影响，引起后期钢绞线锈蚀，导致桥梁病害使承载力下降、挠度加大，已在多座桥梁得到验证。
4）使用荷载超限：目前车辆超载普遍，超过桥梁设计荷载车辆频繁过桥，将直接导致桥关键部位出现无法恢复变形，可造成主跨跨中异常下挠。
四、加固设计情况
（一）加固措施
（1）抑制腹板裂缝措施
通过腹板内侧加厚腹板，并在其内增设纵向腹板束，来大大改善箱梁腹板纵、横向主拉应力状况，进而在后期运营过程中，抑制腹板裂缝进一步发展。
（2）增设底板体外纵向预应力钢束及腹板束
在箱体内布置底板体外束及腹板束来提高桥梁的承载力，同时对改善结构的正应力情况、减少结构的竖向挠度以都起到一定的作用。使维护后的结构维持汽车-20级、挂车-100标准，并保证有一定的安全储备。
（3）箱体裂缝处理
裂缝宽度≥0.15mm的裂缝采用压浆法进行修补，裂缝宽度＜0.15mm的裂缝采用封闭法进行修补，提高了结构的耐久性能。
该加固措施可维持桥上通车，同时兼顾提高主梁压应力储备、降低腹板主拉应力和降低顶板受力、提高结构的抗弯及抗剪承载能力、减小结构挠度等多方面要求，并不影响桥梁外观，圬工工程施工工艺也较简单。
（二）加固设计和施工要点
（1）主桥预应力布置
本设计采用的体外预应力钢束均为底板束。每幅中跨底板束共设10束22фs15.2mm（0.6英寸）规格的高强度低松弛镀锌钢绞线束，每幅每边跨底板束共设2束22фs15.2mm（0.6英寸）规格的高强度低松弛镀锌钢绞线束。每跨体外预应力钢束均锚固于混凝土齿板上。各跨底板束除锚固区外，其余部分均沿底板顶面平行布设。中跨底板束采用钻孔的方式通过跨中横隔板。底板体外预应力钢束张拉力取镀锌钢绞线破断强度1670MPa的65%，即单根钢绞线张拉力为150.9KN。
中跨及边跨两腹板内侧均布置两束19фs15.2mm（0.6英寸）规格的高强度低松弛钢绞线束，固定端钢束锚固于箱梁腹板加厚段内，张拉端钢束均交叉锚固于墩顶横隔板及斜锚块上。各跨腹板束除弯起范围及锚固区外，其余部分均沿底板顶面、顶板底面平行布设。所有腹板束均采用钻孔的方式通过主墩横隔板。腹板预应力钢束张拉力取钢绞线破断强度1860MPa的75%，即单根钢绞线张拉力为193.9KN。
（2）主桥主要锚固构造
底板体外束锚固构造：在保证不破坏原结构预应力钢束的条件下，箱体内增设新齿板，采用植筋技术及在新旧混凝土接触面凿出剪力槽，使现浇齿板通过底板抗剪承受体外索张拉力。
（三）加固后受力分析
1．确保了该桥的极限承载能力
通过增设腹板束及底板体外纵向预应力钢束来提高主梁的极限承载能力，确保该桥不低于原设计荷载所具有的承载能力，并有一定的安全储备。
2．增大了主梁的应力储备
维护计算结果表明，通过增设腹板束及底板体外纵向预应力钢束，有效地增加了桥梁跨中下缘的正应力储备，使得在桥梁最不利荷载组合下，跨中下缘正应力比原结构提高了7.2MPa，因此维护后的应力状态远好于原结构。
3．有效地抑制腹板斜裂缝进一步发展
通过增设腹板束、底板体外纵向预应力钢束，尤其是加厚腹板厚度后，大大改善了腹板主拉应力状况，为后期运营阶段有效地抑制裂缝的继续开展提供了强有力的保证。在加固处理以后，在考虑纵横向应力耦合的情况下，结构的主应力仍满足规范要求。
4．桥面挠度
通过增设腹板束、底板体外束、齿板及加厚腹板后，中跨跨中变形得到了一定的改善，产生了一定的反拱度。
（四）加固施工中新增腹板裂缝的处理
为保证在施工过程中新增腹板裂缝数量和宽度得到有效控制以满足规范要求，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．提前张拉部分预应力使新增腹板处于一定预压状态。
3．尽量减小水泥和水用量，以减少混凝土收缩。
五、结语
该桥开创了东北地区在部分维持通车情况下在箱内浇注大批量混凝土配合体内束及体外束加固多跨大跨径连续预应力混凝土箱梁桥的先例，该桥于2012年8月开工进行维修加固，2003年竣工通车。经1年多的通车营运，该桥使用状况良好，该桥的成功加固维修，为今后类似桥梁的加固积累了经验，特此成文以供同行参考指正。
