胡承澤

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢430000）

1 工程概況

為保障橋梁的安全運營及結構耐久性，需要長期對結構物的安全性能進行觀察，本文以某橋為研究對象并展開分析。該橋為3跨預應力混凝土箱梁連續(xù)剛構橋，橋梁全長為150m，橋梁布跨為39m+72m+39m。單幅橋面寬為15.75m；橋面縱坡為＋1.15%；設計車速為120km/h。該橋的形式為連續(xù)剛構、上部結構為三向預應力的單箱單室形式，箱梁的施工工藝是掛籃懸臂澆筑，該橋的箱梁頂部寬度的是15.75m，底部寬度是8.0m，支點處梁高是3.8m，跨中的梁高是2.0m。箱梁采用標號為C50的混凝土，縱向預應力筋采用ASTM416-87a，標準強度為1 860MPa的高強低松弛鋼絞線。下部構造主墩采用雙壁雙柱鉆孔的樁基礎。主墩墩身采用標號為C40的混凝土，樁基采用標號為C25的混凝土。

2 主要病害類型及成因分析

該橋于1997年竣工，運營多年來，主要的病害有箱梁腹板斜向開裂、箱梁頂板下表面的順橋向裂縫和墩頂橫隔板的豎向裂縫。形成病害的主要因素，分析如下。

2.1 箱梁腹板裂縫

箱梁橋出現(xiàn)腹板斜裂縫可能是多種因素綜合作用的結果。一般包括箱梁內(nèi)外的溫度差較大出現(xiàn)了溫度梯度、箱梁縱向和豎向的預應力嚴重損失、橋面活載出現(xiàn)超載、混凝土在長期使用過程中出現(xiàn)的收縮徐變以及施工過程中產(chǎn)生的誤差等諸多因素。在這些因素的綜合作用下，箱梁腹板的主拉應力遠遠超出混凝土的抗拉強度設計值。因此，箱梁出現(xiàn)了斜裂縫。

2.2 箱梁翼板及頂板裂縫

車輛輪載作用是箱梁翼板及頂板產(chǎn)生裂縫的主要原因。在跨徑較大的橋梁中，超重軸載對頂板橫向的影響比縱向更大，主要原因是橋梁自重占縱向彎矩的絕大部分，而活載是橫向彎矩的主要貢獻者。當荷載軸重超過規(guī)范值時，或者橫向配筋及實際橫向預應力不足，箱梁翼板及頂板就很容易產(chǎn)生裂縫。

其次，混凝土的收縮也易產(chǎn)生此類裂縫。該類裂縫常出現(xiàn)的位置是在節(jié)段懸臂澆筑混凝土箱梁的節(jié)段分界部，縱向裂縫經(jīng)常出現(xiàn)在節(jié)段的接縫處，并且會沿著混凝土齡期較小的節(jié)段進行延伸，但縱向裂縫的延伸長度通常不會超過另一節(jié)段接縫處。這種縱向裂縫是在節(jié)段懸臂澆筑混凝土箱梁施工過程中新舊混凝土之間的溫度收縮產(chǎn)生的，新澆筑節(jié)段的混凝土的溫度收縮受到已建成節(jié)段混凝土箱梁的約束，因此，會沿著節(jié)段接縫處出現(xiàn)縱向裂縫，然而縱向的裂縫通常不會超過本段箱梁。這是部分頂板縱向裂縫、腹板水平裂縫及翼板縱向裂縫的產(chǎn)生原因。

2.3 橫隔板裂縫

首先，車輛活載。箱梁橫隔板的重要功能就是增強箱梁的抗扭性能。當汽車活載偏心加載時會產(chǎn)生較大扭矩，結構扭矩則會導致箱梁橫隔板內(nèi)部產(chǎn)生較大的應力，如果產(chǎn)生的拉應力超過橫隔的混凝土抗拉強度就會造成裂縫。

其次，箱梁溫度梯度的影響、箱梁內(nèi)外溫差及混凝土的收縮等均能在橫隔板產(chǎn)生一定次應力，從而產(chǎn)生裂縫。

另外，橫隔板下方的人孔銳角部位容易產(chǎn)生應力集中，從而引起橫隔板孔洞周圍的放射狀裂縫和孔洞之間的豎向裂縫。

3 結構驗算

3.1 橋梁應力與撓度驗算

橋梁的靜力荷載試驗[1～3]是測試橋梁結構在靜力試驗荷載的作用下產(chǎn)生的變形和內(nèi)力，從而判別橋梁結構在實際工作狀下是否能達到了設計的期望值。它可以測試橋梁結構的工作性能，如結構的強度和剛度，是一種直接且有效的技術方法。

本文上部結構主梁采用MIDAS CIVIL對其進行結構驗算，主要進行了加固前驗算，并對跨中剛度不足進行了損傷模型計算。有限元計算是將主梁結構離散為139個節(jié)點和130個單元，如圖1所示。材料參數(shù)為：上部結構主梁采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土。箱梁縱向預應力筋進行張拉時采用雙控法，張拉的控制應力為1 395MPa，豎向預應力筋采用25.0mm精扎螺紋鋼筋，縱橋向間距為50cm，橫向每個腹板布設的張拉控制力為331kN。計算參數(shù)及荷載組合：混凝土自重26kN/m3；收縮徐變，按9年3 285d考慮；支座沉降2cm；汽車荷載取汽車—超20、掛車—120級；其中汽車荷載按照橫向4車道加載，折減系數(shù)為0.67；掛車荷載作為特載，僅在橋梁中心線上布置單列荷載，且考慮橫向偏載系數(shù)1.15；溫度效應：整體升降溫按20℃考慮。梯度溫度：頂板升降溫5℃考慮。

圖1有限元模型

在最不利荷載組合作用下，采用有限元模型對該橋的正應力、主應力和撓度進行驗算，驗算結果總結如下：（1）承載能力極限狀態(tài)，在最不利荷載的組合作用下，正截面的抗彎承載力均大于作用組合，滿足JTJ 023—1985《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（以下簡稱“85規(guī)范”）要求。（2）正常使用的極限狀態(tài)，在最不利荷載的組合作用下，截面的正應力小于規(guī)范限值，滿足85規(guī)范要求，最大主拉應力均小于規(guī)范限值，滿足85規(guī)范要求；以汽車、掛車荷載（不計沖擊力）計算的最大撓度也小于規(guī)范限值，滿足85規(guī)范要求。

3.2 損傷模型復核驗

依據(jù)該橋的實際調查的交通量（2018年7月～2019年7月）年數(shù)據(jù)，典型代表交通量Qm/設計交通量Qd＜1.3，查JTGT J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，活載修正系數(shù)取

荷載組合85規(guī)范體系組合Ⅰ：恒載+汽車2；組合Ⅱ：恒載+汽車+支座沉降+溫度影響力3；組合Ⅲ：恒載+掛車。其中，組合Ⅲ掛車作為特載，僅考慮單列掛車，并考慮1.15的橫向偏載系數(shù)。二期恒載：經(jīng)過多年的運營，該橋橋面現(xiàn)澆層進行了更換，包括人行道欄桿、分隔帶護欄、懸臂板及橋面鋪裝層總量，合計為109.8kN/m；溫度荷載：整體升降溫按20℃考慮。梯度溫度：按JTG D 62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（以下簡稱“04規(guī)范”）體系所推薦的豎向日照溫差基數(shù)（T1=25℃，T2=6.7℃）。

有損傷模型的建立依舊采用MIDAS CIVIL對其進行結構檢算，且在原設計模型的基礎上對跨中截面剛度進行折減驗算。按照設計單位提供左幅橋原有預應力損失30%，對原張拉控制應力折減0.7倍，為976.5MPa；對體外預應力損失取10%，即對體外張拉控制應力折減0.9，為920.7MPa。根據(jù)檢測結果，將左右幅橋假設為相同的結構，在預應力損失的基礎上，分別建立損傷模型和無損傷模型荷載，采用試驗檢測荷載6輛30t，其中橫向并排擺3輛車，縱向1輛車，汽車前軸軸重60kN，兩后軸軸重120kN，布置2列，縱向間距6.2m，其中一輛車后軸作用在跨中截面位置，本文僅列有損傷模型的計算結果，如圖2所示。

圖2結構位移變形圖（有損傷模型）

“有損傷模型”與“無損傷模型”在相同荷載作用下，中跨跨中最大撓度值為16mm和12mm，與實測值基本一致。在85規(guī)范體系下驗算結果總結如下：

1）在對體內(nèi)預應力張拉控制應力折減30%，體外預應力折減張拉控制應力10%，計算結果表明，在荷載最不利組合Ⅱ下，跨中下緣最大拉應力為0.7MPa。

2）考慮預應力損失后，對施工接縫處單元進行剛度折減后，經(jīng)計算，有損模型與無損模型計算結果與左右幅橋荷載試驗撓度差別相吻合，可以判定施工接縫開裂是該左幅橋剛度偏低與右幅橋剛度差異較大的原因。

4 加固維修方案設計要點

采取及時有效的措施對橋梁存在的質量病害進行修復，不僅可以保證橋梁結構穩(wěn)定和外形美觀，還有可以有效提升橋梁工程質量。根據(jù)該橋的具體病害以及計算結論對該橋進行加固維修，具體方案如下。

4.1 主梁節(jié)段接縫補強及箱梁表觀缺陷維修

橋梁出現(xiàn)的裂縫若不能及時解決，則后期整個路況都會因為裂縫處于癱瘓的狀態(tài)，及時有效地采用橋體裂縫處理技術才能控制和降低維修的難度和成本。當前，國內(nèi)常采用的一些基本技術主要包括噴涂技術、注漿技術以及表面處理技術等，這些在某種程度上都可以有效地緩解裂縫發(fā)展。例如，表面處理技術就是順著橋梁裂縫的縫隙方向噴涂防水材料，使其在噴灑的表層形成防水保護層，起到修復與延緩橋梁裂縫的作用。一般情況下，維修工作者會依據(jù)裂縫的大小來判斷能否可以采用表面處理工藝，如果橋梁上的縫隙過大，就必須采用注漿工藝，從而保證裂縫及時被處理且可以更好地連接開裂的節(jié)段接縫。

對開裂的節(jié)段接縫，采用環(huán)氧樹脂膠進行灌漿封閉處理。對不密實的節(jié)段接縫，應鑿除表層浮漿和不密實混凝土，用環(huán)氧砂漿填補。箱外局部病害采取鑿除疏松混凝土，用環(huán)氧砂漿修復缺陷。

4.2 對左幅橋體外預應力進行補張拉

鑒于該橋存在中跨跨中施工接縫開裂、豎向剛度不足及橋面下凹的情況，對前期所施加的跨中體外預應力進行補張拉，補張拉幅度擬在原有應力基礎上提高10%。右幅橋體外預應力暫不進行補張拉。設置加固模型對以上加固方式進行驗算，對束進行補張拉，跨中拉應力0.7MPa提高為0.2MPa的壓應力，滿足規(guī)范要求。

4.3 中跨跨中底面粘縱向鋼板條

擬提出以下2種方案：方案一：箱梁中跨跨中箱外底板粘貼縱向鋼板帶；方案二：箱梁中跨跨中底板內(nèi)外表面對拉粘貼鋼板。加固維修施工流程：（1）深入詳細地查明箱梁裂縫及缺陷的數(shù)量和分布情況→（2）開裂段接縫的壓漿封閉處理和表面缺陷修復狀況[可與（1）同步進行]→（3）分批補張拉體外預應力束→（4）粘貼鋼板[4，5]。

5 結語

本文通過工程實例對變截面連續(xù)箱梁橋的病害進行分析，采用有限元軟件對橋梁截面的抗彎、抗壓和撓度進行了驗算，對該橋梁提出了加固方案。本文的研究可以為以后變截面橋梁的病害分析以及加固方案提供有效的參考。