陶　曙

（鹽城市亭湖區(qū)公路管理養(yǎng)護(hù)處，江蘇 鹽城 224000）

連續(xù)箱梁橋裂縫分析及加固方法研究

陶曙

（鹽城市亭湖區(qū)公路管理養(yǎng)護(hù)處，江蘇 鹽城 224000）

以某大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，?duì)其腹板斜裂縫、頂板和底板縱向裂縫形成的原因進(jìn)行深入分析。針對(duì)該橋的裂縫病害現(xiàn)狀，根據(jù)裂縫分析成果，提出了相應(yīng)的加固方法，該橋的裂縫分析和加固方法可供同類(lèi)橋梁工程項(xiàng)目參考。

連續(xù)箱梁橋；裂縫；橋梁加固；徑向力；偏差

由于設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、管養(yǎng)等諸多方面的原因，近年來(lái)很多大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋出現(xiàn)了各種不同程度的病害，主要表現(xiàn)為：梁體裂縫、跨中下?lián)虾湍途眯韵陆?。上部結(jié)構(gòu)主梁梁體裂縫會(huì)使橋梁承載能力下降、剛度降低，從而影響橋梁的安全性能和正常使用性能。裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展也會(huì)加速混凝土的碳化和鋼筋銹蝕，使得主梁結(jié)構(gòu)的耐久性趨于惡化，降低橋梁使用壽命。因此，對(duì)于大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁應(yīng)進(jìn)行定期的裂縫檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)定，并及時(shí)采取相應(yīng)的處治措施［1-2］。

1　工程概況

某公路高架橋?yàn)?跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋，跨徑布置為80 m+3×130 m+80 m，橋?qū)?2 m，為右幅橋。箱梁采用單箱室箱梁，主墩墩頂處梁高7.0 m，跨中梁高 2.5 m，其間按1.8次拋物線變化，采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。箱梁的頂板和腹板為分段變截面。頂板厚度0.25 m，在墩頂范圍0.50 m；腹板在跨中81.4 m范圍內(nèi)為0.40 m，其余位置為0.6 m；底板厚度在跨中為0.25 m，墩頂根部為1.0 m，其間按1.8次拋物線變化。

采用掛籃懸臂施工，每個(gè)T墩單側(cè)懸澆梁段劃分為14個(gè)節(jié)段（0#~13#），合龍段寬2.0 m。

橋梁原來(lái)的設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)超—20，掛車(chē)—120。按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ023—85）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2　裂縫病害概況

2012年、2013年經(jīng)過(guò)多次監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該橋上部結(jié)構(gòu)箱梁裂縫逐漸增多、裂縫寬度和長(zhǎng)度有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。裂縫病害情況主要表現(xiàn)為腹板存在大量斜裂縫，頂板和底板局部位置存在縱向裂縫。

該橋箱梁腹板內(nèi)側(cè)、外側(cè)均出現(xiàn)多條斜裂縫，裂縫分布特點(diǎn)如下：裂縫寬度在0.15~0.90 mm，長(zhǎng)度在0.3~7 m；裂縫沿15°~45°方向分布；相較左側(cè)腹板，右側(cè)腹板裂縫病害情況更嚴(yán)重；裂縫主要分布在次邊跨和中跨的L/4至跨中處，如圖1所示。

圖1　箱梁腹板斜裂縫分布示意

該橋箱梁頂板出現(xiàn)多條縱向裂縫，裂縫分布特點(diǎn)如下：裂縫寬度在0.1~0.2 mm，長(zhǎng)度在0.7~1.0 m；橋面過(guò)車(chē)時(shí)裂縫寬度增大，過(guò)車(chē)后裂縫恢復(fù)；裂縫分布位置無(wú)明顯規(guī)律，如圖2所示。

圖2　箱梁頂板縱向裂縫分布示意

該橋箱梁底板局部位置出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫分布特點(diǎn)如下：裂縫寬度在0.6~4.0 mm，長(zhǎng)度在2.0~7.0 m；裂縫主要分布在次邊跨和中跨的跨中處，如圖3所示。

圖3　箱梁底板縱向裂縫分布示意

3　裂縫成因分析

3.1腹板斜裂縫［3］

根據(jù)腹板斜裂縫的病害特征可以認(rèn)定該橋腹板斜裂縫主要是由腹板主拉應(yīng)力超限引起的結(jié)構(gòu)受力裂縫。結(jié)合該橋的實(shí)際情況，主拉應(yīng)力超限的主要原因有如下幾個(gè)方面：

（1）豎向預(yù)應(yīng)力發(fā)揮不充分

根據(jù)類(lèi)似橋型的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 023—85，以下簡(jiǎn)稱(chēng)舊規(guī)范）設(shè)計(jì)的大跨徑預(yù)應(yīng)力箱梁截面連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)中出現(xiàn)不少有規(guī)律的斜裂縫。按舊規(guī)范的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，較普遍地取消彎起束，而用縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力來(lái)克服主拉應(yīng)力。這樣做施工方便，還可以減薄腹板的厚度，節(jié)省材料。豎向預(yù)應(yīng)力筋在設(shè)計(jì)中對(duì)克服主拉應(yīng)力起到很大作用。但由于施工技術(shù)水平參差不齊、施工控制不嚴(yán)等原因，實(shí)際情況和設(shè)計(jì)預(yù)想情況并不吻合，豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋一般施工質(zhì)量不理想，甚至有不張拉，預(yù)應(yīng)力徹底失效的情況，這些豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋往往不能充分發(fā)揮作用?？紤]到這些情況，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004，以下簡(jiǎn)稱(chēng)新規(guī)范）在計(jì)算豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋引起的豎向壓應(yīng)力時(shí)，在舊規(guī)范的公式基礎(chǔ)上乘以0.6的折減系數(shù)。

該橋設(shè)計(jì)時(shí)按舊規(guī)范設(shè)計(jì)。腹板裂縫主要分布在邊跨支點(diǎn)（8#~13#塊）及中跨的跨中范圍（6#~14#塊），該區(qū)域內(nèi)沒(méi)有預(yù)應(yīng)力筋的下彎束，抗剪主要依靠豎向預(yù)應(yīng)力筋和箍筋，豎向預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋鋼筋，有效預(yù)應(yīng)力較小，而且腹板中豎向預(yù)應(yīng)力筋的長(zhǎng)度較短，引伸量小，預(yù)應(yīng)力張拉只能采用單控方式，采用一般的千斤頂張拉力難以控制，預(yù)應(yīng)力損失較大，當(dāng)施工稍有不慎時(shí)，鋼束的預(yù)應(yīng)力就有可能損失殆盡?；炷灵_(kāi)裂后，豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋可能發(fā)生銹蝕，從而導(dǎo)致截面抗力進(jìn)一步降低，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。

利用有限元分析時(shí)，根據(jù)豎向預(yù)應(yīng)力作用的發(fā)揮程度，考慮3種模型。①模型1：考慮全部豎向預(yù)應(yīng)力作用；②模型2：考慮60%的豎向預(yù)應(yīng)力作用；③模型3：豎向預(yù)應(yīng)力全部失效，不考慮豎向預(yù)應(yīng)力。由表1可知，不考慮豎向預(yù)應(yīng)力和考慮全部豎向預(yù)應(yīng)力相比時(shí)，最大主拉應(yīng)力增大了1.5 MPa。3種模型最大主拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

表1　最大主拉應(yīng)力驗(yàn)算表 MPa

（2）設(shè)計(jì)和施工偏差

按照規(guī)范，橋梁設(shè)計(jì)中通常僅從縱向和豎向二維來(lái)分析主拉應(yīng)力，沒(méi)有充分考慮橫向的影響。實(shí)際上，大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁腹板處于三向受力狀態(tài)，不考慮橫向應(yīng)力的影響，必然使計(jì)算的主拉應(yīng)力值偏小。此外，由于過(guò)于依靠豎向預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致腹板設(shè)計(jì)偏薄，混凝土澆筑質(zhì)量不能保證；配置的箍筋偏少，也不能有效限制裂縫寬度。

和新規(guī)范相比，舊規(guī)范對(duì)于箱梁的溫度效應(yīng)估計(jì)不足，從而導(dǎo)致原設(shè)計(jì)得到的主拉應(yīng)力偏小。舊規(guī)范的溫差效應(yīng)按箱室內(nèi)外溫差5 ℃考慮，而新規(guī)范采用梯度溫度的折線溫差計(jì)算模式。溫度效應(yīng)是新、舊規(guī)范在應(yīng)力計(jì)算方面的一個(gè)顯著差別。

（3）運(yùn)營(yíng)管理

超載是公路交通中普遍存在的問(wèn)題，近年來(lái)重載車(chē)輛逐年增多，當(dāng)汽車(chē)荷載超載時(shí)活載產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增加。根據(jù)車(chē)輛行駛規(guī)則，一般重車(chē)沿右側(cè)行駛，荷載超限造成右側(cè)腹板主拉應(yīng)力較大，右側(cè)腹板開(kāi)裂嚴(yán)重。

3.2頂板縱向裂縫成因分析

（1）設(shè)計(jì)和施工偏差

該橋頂板厚度只有25 cm，頂板上預(yù)留縱向預(yù)應(yīng)力管道，很難達(dá)到壓漿完全飽滿，較薄的頂板布置較多的預(yù)應(yīng)力孔道嚴(yán)重削弱了頂板的有效面積，容易在比較薄弱的截面出現(xiàn)縱向裂縫。由于頂板較薄，橫向預(yù)應(yīng)力管道距頂板頂面僅6.5 cm，施工時(shí)管道定位稍有偏位，造成保護(hù)層厚度較薄，混凝土振搗不當(dāng)，混凝土收縮也會(huì)造成頂板局部出現(xiàn)縱向裂縫。

舊規(guī)范在橋面板的溫度效應(yīng)上考慮不足，也是引起頂板縱向裂縫的原因之一。

此外，該橋頂面只有一層混凝土鋪裝，橋面鋪裝開(kāi)裂較為嚴(yán)重，頂板防水層破壞后，雨水順著鋪裝層裂縫進(jìn)入頂板內(nèi)，進(jìn)一步降低了頂板混凝土的耐久性，加速裂縫的發(fā)展。

（2）運(yùn)營(yíng)管理

該橋按汽車(chē)超—20荷載等級(jí)設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中超載現(xiàn)象較為普遍，重車(chē)車(chē)輪荷載的直接作用是造成頂板裂縫的直接原因。

3.3底板縱向裂縫成因分析

在大跨度變截面箱梁中，底板曲線預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的徑向力（尤其是當(dāng)?shù)装孱A(yù)應(yīng)力束布置在底板橫向跨中時(shí)）、底板自重作用及支座對(duì)腹板產(chǎn)生的偏心集中力等都會(huì)在底板產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，且底板未設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力束，在各種效應(yīng)組合下，容易引起底板縱向裂縫。舊規(guī)范對(duì)這個(gè)問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足，按舊規(guī)范設(shè)計(jì)，底板產(chǎn)生縱向裂縫的風(fēng)險(xiǎn)較大。底板曲線鋼束徑向力示意圖如圖4所示。

圖4　底板曲線鋼束徑向力示意圖

曲線預(yù)應(yīng)力鋼束的徑向力可由下式表示：

式中：q（x）為徑向力；Npe為鋼束有效張拉力；R為曲線預(yù)應(yīng)力鋼束的彎曲半徑。

該橋130 m主跨的合龍段縱向預(yù)應(yīng)力筋比較密，且所有的底板束都通過(guò)合龍段，且該處彎曲半徑最小，預(yù)應(yīng)力鋼束橫向間距較小，底板預(yù)應(yīng)力鋼束管道最小間距僅為6 cm，底板厚度較小僅25 cm，而波紋管中心距底板底緣的距離為11 cm，底板預(yù)應(yīng)力束采用一次張拉錨固時(shí)，較大的徑向力導(dǎo)致底板開(kāi)裂。

此外，該橋底板僅間隔60 cm設(shè)置一道勾筋，未設(shè)置曲線預(yù)應(yīng)力鋼束的防崩鋼筋在徑向力作用下，也無(wú)法有效限制底板縱向裂縫的發(fā)展。

根據(jù)分析驗(yàn)算成果，箱梁底板不能滿足規(guī)范要求，裂縫寬度超出限值。

4　加固方法研究

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的加固方法主要有：體外預(yù)應(yīng)力加固法、增大截面法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維布法、裂縫封閉、橋面減載、更換鋪裝等方法。橋梁加固時(shí)應(yīng)對(duì)病害原因進(jìn)行分析后，辯證施治，采取合理有效的加固方法［4-6］。

4.1總體加固方案

針對(duì)該橋的實(shí)際情況，為改善結(jié)構(gòu)的整體受力性能，減小腹板主拉應(yīng)力，提高上部結(jié)構(gòu)箱梁承載能力，總體上擬采用體外預(yù)應(yīng)力加固的設(shè)計(jì)方案，體外預(yù)應(yīng)力布置如圖5所示。

圖5　體外預(yù)應(yīng)力加固方案

各跨均采用8束15.24-15的預(yù)應(yīng)力鋼束，配合相應(yīng)的張拉、錨固錨具，張拉控制應(yīng)力為1 209 MPa。體外預(yù)應(yīng)力束采用沿箱梁底板和頂板分散布置的方案，利用墩頂橫隔梁張拉錨固。邊跨體外束采用墩頂一端張拉的方式，次邊跨及中跨的體外束采用兩端張拉的方式。轉(zhuǎn)向裝置采用后加轉(zhuǎn)向橫梁的形式，其它位置則在頂、底板設(shè)減震器。轉(zhuǎn)向橫梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。墩頂處體外預(yù)應(yīng)力筋交叉錨固。由于錨塊受力較大，需將兩個(gè)墩頂橫梁之間的部分用混凝土將兩個(gè)橫梁連接在一起，使兩個(gè)錨塊連成一個(gè)整體共同受力。

4.2腹板加固

對(duì)于腹板斜裂縫，采用了增加腹板厚度的加固方法。將各跨6#~12#塊的腹板厚度由原來(lái)的40 cm增厚至60 cm，如圖6所示。

圖6　腹板加固措施示意圖

對(duì)出現(xiàn)嚴(yán)重斜裂縫的梁段，首先進(jìn)行灌縫處理，然后再在原腹板、頂板、底板植筋，布設(shè)腹板箍筋，最后澆筑加厚混凝土。加厚混凝土采用細(xì)骨料混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C50；箍筋采用HRB400鋼筋，直徑16 mm，縱向間距15 cm。

增加腹板厚度可以有效地解決腹板抗剪尺寸偏小的問(wèn)題，增加的腹板抗剪鋼筋可顯著降低腹板的主拉應(yīng)力水平，加固效果明顯。且該方法對(duì)箱梁頂板、底板的影響較小，施工方便、簡(jiǎn)單，費(fèi)用較低，工期短。

4.3頂板加固

對(duì)于頂板縱向裂縫，采用重做橋面混凝土鋪裝的加固方法。拆除原有鋪裝，現(xiàn)澆10 cm厚的混凝土鋪裝層，涂抹防水層，然后鋪設(shè)5 cm厚的瀝青混凝土作為面層，如圖7所示。

圖7　頂板加固措施示意圖

拆除原有橋面鋪裝后，首先用結(jié)構(gòu)膠封閉箱梁頂板裂縫，箱梁頂面植入直徑12 mm的鋼筋，現(xiàn)澆10 cm厚的混凝土鋪裝層，使箱梁頂板和鋪裝混凝土組成疊合梁共同受力。防水層的防水涂料統(tǒng)一采用PB（II）聚合物改性瀝青，材料性能應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《道橋用防水涂料》JC/T975的要求。最后鋪設(shè)5 cm厚的細(xì)粒瀝青混凝土作為面層。

新做的橋面鋪裝和箱梁頂板組成疊合梁，有效地解決了頂板偏薄的問(wèn)題，增加了頂板抗彎能力；兩層鋪裝之間施做防水層，可有效解決頂板滲水問(wèn)題，同時(shí)瀝青鋪裝也可有效降低汽車(chē)的沖擊效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.4底板加固

對(duì)于底板縱向裂縫，采用橫向張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加固方法，如圖8所示。

圖8　底板加固措施示意圖

首先用結(jié)構(gòu)膠對(duì)底板裂縫進(jìn)行灌漿，然后采用橫向張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板的形式，提高其橫向連接剛度。預(yù)應(yīng)力碳纖維板型號(hào)為CFP100-20，寬度為100 mm，厚度為2.0 mm，縱向間距50 cm，公稱(chēng)頂壓力為160 kN，共27束。

該方法屬于主動(dòng)加固，通過(guò)橫向預(yù)應(yīng)力可使原裂縫全部或部分閉合，能提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和耐久性，并能限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。該方法幾乎不增加結(jié)構(gòu)恒載，有良好的耐久性，施工工藝簡(jiǎn)單，但在底板下緣施工，操作不便，可采用檢測(cè)車(chē)或梁頂懸掛吊籃進(jìn)行施工。

5　結(jié)論

通過(guò)該橋的裂縫分析和加固設(shè)計(jì)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）對(duì)于大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁，應(yīng)在設(shè)計(jì)中不斷完善箱梁設(shè)計(jì)理論，正確考慮到箱梁偏載、超載、溫度效應(yīng)、剪力滯效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有足夠的安全儲(chǔ)備。橋梁設(shè)計(jì)要采用全壽命的設(shè)計(jì)理念，重視結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)。

（2）施工時(shí)應(yīng)注意預(yù)應(yīng)力鋼束管道定位準(zhǔn)確，混凝土振搗充分，養(yǎng)護(hù)到位。施工嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)圖紙的要求是橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要保證。

（3）運(yùn)營(yíng)管理中要嚴(yán)格控制超載車(chē)輛。對(duì)于已建橋梁要定期檢測(cè)，爭(zhēng)取做到“有問(wèn)題早發(fā)現(xiàn)”，對(duì)裂縫應(yīng)進(jìn)行成因分析，及時(shí)開(kāi)展針對(duì)性的維修或加固。

（4）橋梁加固應(yīng)該首先對(duì)病害原因進(jìn)行詳細(xì)分析，辯證施治，對(duì)癥下藥，才能形成經(jīng)濟(jì)合理的橋梁加固設(shè)計(jì)方案。

［1］陳付雷.橋梁加固設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

［2］杜斌，趙人達(dá).大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁裂縫成因分析及防治對(duì)策［J］.四川建筑科學(xué)研究，2010，3：77-81.［3］曾曉茜.PC連續(xù)剛構(gòu)橋病害檢測(cè)及裂縫成因分析［D］.成都：西南交通大學(xué)，2012.

［4］楊春林. 一座主跨140 m連續(xù)剛構(gòu)橋的加固［J］.中南公路工程，2009（4）：73-76.

［5］李興林，廖成強(qiáng).160 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁加固設(shè)［J］. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2008，4：42-46.

［6］范慶杰.大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁底板縱向裂縫開(kāi)裂機(jī)理與防治措施分析研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

Crack Analysis and Reinforce Strategy of Continuous Box Girder Bridge

Tao Shu
（Highway Maintenance Management Department in Tinghu District, Yancheng 224000, China）

Taking a long-span prestressed concrete continuous rigid frame bridge as an example, the causes of crack on top, bottom and web of girder were discussed in detail. In view of the status of crack disease, relevant reinforce strategy was put forward according to fracture cause. The research conclusion had significant reference for detection and reinforcement of the same type bridge.

continuous box girder bridge; crack bridge; reinforcement; radial force; deviation

U445.72

B

1672-9889（2015）04-0053-04

陶曙（1975-），男，江蘇鹽城人，工程師，主要從事橋梁養(yǎng)護(hù)研究和管理工作。

（2014-09-30）