大跨度连续箱梁桥的病害及处理
2015-04-17
引言
预应力混凝土连续箱梁因其受力合理、跨越能力较强而应用广泛。在近年的桥梁运营管理中，由于各种非设计因素的影响，预应力混凝土连续箱梁桥出现了各种病害。以惠河高速公路东江特大桥为例，该桥在建成通车数年后发现箱梁顶板、腹板和底板存在不同程度的开裂，同时粱体存在一定的下挠。为了防止这些病害进一步恶化，需在准确分析其成因的基础上及时采取合理措施进行处理。
1、预应力混凝土连续箱梁常见病害及分析
连续箱梁一般采用三向预应力体系，各向预应力在不同程度上能提高混凝土的性能。但由于预应力混凝土连续箱梁自身的构造特点、设计理念的局限性、施工工艺及控制以及桥梁运营期间的实际荷载等因数的影响，使得结构在不同部位出现病害：
(1)箱梁顶板开裂：裂缝沿纵向发展，在横桥向均匀分布且宽度较小，全桥范围内都有分布。由裂缝的性状来看，导致结构开裂的原因主要有以下几个：一方面，由于泊松效应，箱梁顶板在纵向预应力作用下产生横向拉应力，进而在汽车荷载作用下产生横向弯矩而开裂，虽然在顶板布置横向预应力，但由于施工工艺控制等影响，横向预应力张拉效果难以得到保证。另一方面，预应力位于顶板截面中性轴处，对抵抗横向弯矩作用不大。此外混凝土早期的收缩变形也是该类裂缝出现的一个诱因。
(2)箱梁腹板开裂：箱梁腹板在主梁四分点附近存在斜向裂缝，裂缝与梁体顶缘线成3O。～50。角，有的裂缝甚至沿箱梁全高度延伸，宽度在0．5mm以上，通常中跨较边跨病害严重。箱梁腹板斜裂缝主要是由于结构抗剪能力不足引起的。在早期的桥梁设计中，对混凝土结构特l生认识不足，在优化设计思想的指导下，往往使得结构构件尺寸偏小，这是导致该类裂缝出现的根本原因之一。同时由于提高构件的抗剪强度的竖向预应力筋较短，且在张拉工艺控制等因数的影响下，导致预应力损失较大，使得竖向预应力张拉的效果往往不理想，这是导致该类裂缝出现的另一个主要原因。此外在2004版新“桥规”颁布之前，结构设计对日照温差荷载均按顶板升温5℃考虑，大量工程实践表明，这与实际情况存在较大的偏差，明显低估了实际温度梯度荷载的作用，导致设计分析箱梁主拉应力偏小。
(3)箱梁施工缝开裂：箱梁施工缝处腹板底板不同程度存在开裂现象，通常以底板裂缝为主，部分腹板裂缝与底板裂缝贯通。裂缝宽度依病害程度不一，箱梁内外均可见，多分布在中跨跨中附近。由于箱梁采用逐段悬浇的施工方法，受施工工艺和施工质量等因素的影响，新旧混凝土结合处易在施工阶段存在初始缺陷，并在后期运营荷载作用下开裂。同时由于合拢段处预应力施加效果未能达到预期，导致构件局部预应力不足，使得合拢段处开裂最为严重。
(4)主梁下挠：多表现为中跨跨中下挠，下挠量与跨径大小和运营时间长短有关。主跨80～100m的连续梁或连续刚构10年下挠量可达100ram，而某主跨245m连续刚构9年下挠量达320ram。2010年第2期 黄明宏大跨度预应力混凝土连续箱梁桥病害及处理 总第111期该类桥梁的上述病害并非独立存在，箱梁开裂导致结构刚度降低，使得主梁下挠加剧；而主梁的下挠又会反过来加速结构裂缝的发展。因而对于该类结构病害应及时发现和处理，避免为结构的安全运营带来隐患。
2、病害处理方法
在不改变原有结构体系的情况下，混凝土结构病害处理的方法主要有增大截面法、粘贴钢板／纤维法和体外预应力法，前两者属于被动加固方法，而后者则为主动改善结构受力的主动加固法。
(1)增大截面法。通过加大结构构件尺寸，增加构件的刚度，从而达到提高结构承载力的效果。
(2)粘贴钢板／碳纤维法。通过在结构构件弱处粘贴钢板或纤维布，从而改善结构的应力状态，限制裂缝的进一步发展，以达到补强和提高结构承载力的目的。
(3)体外预应力法。根据结构现有受力状态，通过合理布置体外预应力钢束改善结构受力，补偿实际桥梁结构部分梁段预应力度不足，并抑制结构的进一步下挠。工程实践中应根据结构的受力特点和实际病害状况，综合考虑受力的合理性、经济性以及对交通运营的影响等因素，选择适当的方案。
3、工程实例
3．1 工程概况
东江特大桥是惠河高速公路跨越东江的一座特大桥，桥梁全长652．11m，主桥为四跨连续箱梁，跨径组合45m+2×80m+45m。单幅桥面宽11．38m。主桥箱梁采用变高度单箱单室截面，5O号混凝土，三向预应力体系。设计荷载为汽一超2O、挂一120级。
3．2 结构病害
(1)顶板纵向开裂，裂缝沿纵向通长分布。
(2)腹板斜向开裂，主要集中在中跨四分点附近，裂缝在箱梁内外侧腹板均有分布，而在历次的检查中发现该类裂缝在逐年发展。施工缝开裂，以中跨跨中最为严重，最大裂缝宽度0．5mm。造成腹板开裂的原因主要有：一方面，腹板的竖向预应力筋较短，加之张拉效果不理想，使得永存竖向预应力低于设计要求；另一方面，原设计箱梁温度梯度按85规范取值，与广东地区的实际情况有较大出人。在模拟以上两个影响因数对结构进行验算后发现，其最大主压应力小于规范限值，而最大主拉应力大于规范限值，且最大主拉应力出现在中跨四分点附近，这与腹板存在较严重斜裂缝的位置相吻合。
(3)中跨合拢段腹板、底板不同程度存在开裂，其原因主要是合拢段存在局部预应力不足现象，合拢段在荷载作用下发生开裂，同时由于在施工过程中混凝土接合面处理不佳，导致施工缝处混凝土不密实，从而使得施工缝处开裂最为严重。
3．3 加固措施
针对主梁腹板、施工缝及合拢段病害，根据荷载试验反映的结构实际受力状态，对主梁采用主动与被动相结合的方法进行加固，其施工的顺序为：先封闭裂缝，再施加体外预应力，最后粘贴钢板。
(1)对箱梁裂缝进行处理，提高结构耐久性。
(2)对主跨施加体外预应力，以提高主梁结构预应力度，补偿实际结构部分梁段预应力度不足，同时可改善结构的变形趋势，抑制结构下挠。可以看出，体外预应力的施加使得箱梁截面主拉应力较张拉前有所减小，且最大主拉应力小于规范限值；同时最大主压应力小于规范限值。
(3)对腹板、底板及合龙段开裂处粘贴钢板，以提高结构刚度，改善原有钢筋及混凝土的受力状态，限制裂缝的进一步发展。
3．4 加固效果
加固施工期间进行了施工监控，其结果表明：维修加固施工完毕后，由于体外预应力的张拉，使得构裂缝不同程度存在闭合现象，其最大闭合量为0.046mm；各孔跨中底板及各墩墩顶的应力时程曲线呈现明显的台阶式变化曲线(其应力增量见图3)，表明在张拉体外索后，该孔跨中截面及墩顶截面压应力有较为明显的增加，使得截面的应力状态得到改善。同时粘贴的钢板与结构共同作用，使得结构刚度有所提高，进一步提高结构的承载力。
上述结果表明，对结构进行的维修加固使得结构受力有了较为明显的改善，而结构整体的加固效果将在桥梁后续的运营过程进一步体现出来。
4、结语
大跨度预应力混凝土连续箱梁结构的病害正在受到越来越多的关注，由于这类病害产生原因的复杂性，对结构长期正常运营影响的重要性，笔者建议对其应及早发现、及早处理。东江特大桥工程实践表明，采用主动加固与被动加固相结合的方式，通过适当的施加体外预应力，辅以粘贴钢板的措施，可以有效地改善结构受力状态，遏制结构病害的进一步发展。
