后張預(yù)應(yīng)力砼彎箱梁橋的病害分析及加固設(shè)計(jì)

1、后張預(yù)應(yīng)力砼彎箱梁橋的病害分析及加固設(shè)計(jì)崔玉萍 （北京市市政工程研究院 100037）馮昌茂（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院 100045）摘 要 某橋于1994年建成通車，由于溫度變化、預(yù)應(yīng)力扭矩和恒載扭矩的影響，特別是近幾年來交通量和車輛載重的增加，使得該橋的主體結(jié)構(gòu)以及蓋梁出現(xiàn)了大量的裂縫，并且出現(xiàn)了梁體向外翻轉(zhuǎn)以及支座脫空等現(xiàn)象，因此加固已勢在必行。本文主要對該橋的病害原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對該橋的加固措施進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞 預(yù)應(yīng)力彎箱梁 裂縫 加固一、工程概況 米。兩外側(cè)支座中心距離3.4米，隱蓋梁寬度為2.3米，支承中線距蓋梁中心0.85米，距蓋梁邊0.30米。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁配24束

2、775 Rby=1860Mpa高強(qiáng)低松弛鋼絞線。圖1.a 立面示意圖圖1.b 平面示意圖二、破損情況及原因分析破損情況1、梁體向外偏轉(zhuǎn)、支座脫空1998年8月中墩防震擋塊開始偏移，2000年3月加焊閉合鋼板箍，6月發(fā)現(xiàn)加焊的閉合鋼板箍焊縫處開裂，由此可見，此梁的位移及翻轉(zhuǎn)正在緩慢發(fā)展。2000年9月底發(fā)現(xiàn)該橋兩端支點(diǎn)內(nèi)側(cè)支座脫空，脫空高度1.2cm左右，中間墩處梁體向圓心外側(cè)爬行5cm左右，并伴有明顯轉(zhuǎn)動(dòng)，坡度有0.6左右，發(fā)現(xiàn)分段墩外側(cè)支座附近隱形蓋梁端部存在數(shù)條裂縫，最寬達(dá)1.1mm。其形狀為梁端支座處混凝土發(fā)生劈裂，板式橡膠支座剪切、擠壓變形嚴(yán)重。2、梁體開裂2000年10月初，發(fā)現(xiàn)箱梁

3、底板有較多的橫向裂縫，部分裂縫沿腹板延伸至懸臂板根部，再向橋?qū)挿较蜓由爝_(dá)到1米左右長度，裂縫寬度為0.10.28mm。 3、蓋梁開裂蓋梁上也存在大量的裂縫，最大裂縫寬度達(dá)5mm左右。原因分析根據(jù)破壞現(xiàn)象（梁底裂縫除外）經(jīng)分析，總的原因是由于對預(yù)應(yīng)力曲線梁橋的受力特性及支承約束條件認(rèn)識(shí)不足，計(jì)算手段不完備所造成的。具體詳述如下：1）沒有足夠的扭轉(zhuǎn)和平面內(nèi)線位移約束中間支點(diǎn)根本沒有扭轉(zhuǎn)約束，而僅靠兩個(gè)邊支點(diǎn)的恒載壓力產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)約束。而這種約束被各種荷載扭矩在內(nèi)側(cè)支座產(chǎn)生的負(fù)反力消除或減弱，使橋梁在扭轉(zhuǎn)方向形成不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，因此結(jié)構(gòu)承擔(dān)扭矩的能力大大降低。2）忽略了預(yù)應(yīng)力扭矩的存在預(yù)應(yīng)力曲線橋預(yù)加

4、力徑向分力使梁產(chǎn)生扭矩，在梁端內(nèi)側(cè)支座產(chǎn)生負(fù)反力，外側(cè)支座產(chǎn)生較大的偏載。而預(yù)應(yīng)力豎向反力產(chǎn)生的扭矩由于內(nèi)外梁肋配束相同，基本上是自身平衡的。3）溫度變化產(chǎn)生的爬行效應(yīng)由于溫差曲線梁要產(chǎn)生徑向和切向位移，由于扭轉(zhuǎn)約束和平面線位移約束不夠，升溫時(shí)向外側(cè)的線位移在降溫時(shí)不能完全恢復(fù)，形成向外側(cè)線位移逐漸積累，使梁體長生不利的向外偏心，造成恒載扭矩加大，使梁體逐漸向外側(cè)翻轉(zhuǎn)的惡性循環(huán)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度達(dá)到一定值時(shí)，梁體自重產(chǎn)生下滑力，會(huì)使梁體墜落。4）忽略了恒載扭矩 由于該橋曲線半徑較大（>100米），忽視了在中間墩柱設(shè)置偏心，以減少橋兩端恒載扭矩作用，造成內(nèi)外側(cè)支座反力相差很大（約3倍），外側(cè)支座

5、過大超載。如上所述，蓋梁裂縫等現(xiàn)象均源于上述原因造成的外側(cè)支座過大偏載引起的，與此同時(shí)分段墩蓋梁較薄、較寬，支座偏心產(chǎn)生的蓋梁橫向彎矩較大，而橫向配筋除箍筋外沒有通長的承受橫向彎矩的鋼筋，這也是蓋梁裂縫的主要原因之一。5）長期在超負(fù)荷狀況下工作是造成橋梁的部分主梁過早出現(xiàn)裂縫的主要原因該橋是按汽超20級，掛120荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，該橋的預(yù)應(yīng)力配筋束，在原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下梁的應(yīng)力狀態(tài)基本滿足規(guī)范要求，沒留余地。由于該地區(qū)屬重要交通樞紐，交通流量增長很快，特別是重型載重車及集裝箱車很多，超載情況嚴(yán)重。長期在超負(fù)荷狀況下工作造成部分主梁過早出現(xiàn)裂縫，同時(shí)也加劇了上述蓋梁的裂縫開展。三、加固設(shè)計(jì)根據(jù)該橋的破壞

6、情況及原因分析，初步確定采用以下加固方案：上部結(jié)構(gòu)經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，該橋梁體的箱梁底板出現(xiàn)了大量的裂縫，梁體裂縫基本上屬于由超載所引起的受力裂縫，且數(shù)量較多，部分底板已裂通；針對此現(xiàn)狀，經(jīng)復(fù)核驗(yàn)算，建議采用以下加固處理方案：1）對已出現(xiàn)的裂縫采用環(huán)氧化學(xué)壓力灌漿法進(jìn)行加固處理。2）剔除箱梁底板上已出現(xiàn)風(fēng)化或劣化部位的混凝土并用高強(qiáng)聚合物砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。3）對經(jīng)過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其受力不能滿足應(yīng)力要求處在箱梁底面及側(cè)面采用粘貼碳纖維布的方式進(jìn)行受彎及受剪加固。4）對牛腿節(jié)點(diǎn)采用多層粘貼碳纖維布的方式進(jìn)行加固。和其余加固方法相比，碳纖維加固具有強(qiáng)度高，占用施工時(shí)間少的特點(diǎn)，且在不改變梁體外觀的前提下，既可以封閉

7、裂縫，又能提高承載力和有效的避免梁體裂縫的繼續(xù)開展，因此選用碳纖維對箱梁進(jìn)行加固，以封閉裂縫，提高強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算，采用該方法使得該橋的承載能力提高了5%。表1 加固后箱梁的抗彎承載力提高幅度加固前跨中截面最大抗力加固后跨中截面最大抗力提高幅度5851561518 KN.m5%與粘鋼加固等傳統(tǒng)方法相比，碳纖維加固具有許多突出的特點(diǎn)及優(yōu)越性，見下表所示：表2 碳纖維加固與粘鋼加固方法的比較序號(hào)項(xiàng) 目粘鋼加固等傳統(tǒng)加固方法粘貼碳纖維加固1對原結(jié)構(gòu)自重、斷面等的影響影響較大，結(jié)構(gòu)自重增大，截面尺寸增大，凈空減小不增加結(jié)構(gòu)自重和截面尺寸，為布狀片材，每平米重量約300g, 每層厚度僅0.167mm, 而強(qiáng)

8、度為鋼的10倍2施工工藝施工工序較繁瑣，有濕作業(yè)，需相關(guān)的機(jī)械設(shè)備，需占用較大場地、空間施工便捷，手工操作，無需大型機(jī)具，沒有濕作業(yè)，施工工效高3耐久性外加鋼結(jié)構(gòu)易發(fā)生銹蝕，需定期維護(hù)耐酸堿鹽及大氣環(huán)境的腐蝕，基本不須后期維護(hù)4工期較長較短5加固效果加固效果不易保證，必須設(shè)有錨栓等錨固措施，易造成混凝土結(jié)構(gòu)局部損傷不須機(jī)械錨固措施，加固效果好，加固質(zhì)量易保證6加固技術(shù)的先進(jìn)性傳統(tǒng)的加固方法，在其它發(fā)達(dá)國家已不用先進(jìn)的加固方法，在日美等發(fā)達(dá)國家已普遍應(yīng)用7工程造價(jià)與碳纖維加固相當(dāng)長期經(jīng)濟(jì)效益佳之所以采用碳纖維對該橋進(jìn)行加固，主要是考慮到以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：采用碳纖維布加固技術(shù)可以提高箱梁的抗彎、抗

9、剪承載力及剛度；增加橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備，同時(shí)碳纖維材料高強(qiáng)度、高彈模，可以有效地約束混凝土變形，限制裂縫開展；碳纖維具有良好的耐久性能，能抗拒大氣環(huán)境下所產(chǎn)生的各種腐蝕，使用該項(xiàng)加固方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理后不僅無須做定期的維護(hù)，節(jié)省了大筆維修費(fèi)用，而且其本身更可以起到對內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用，達(dá)到雙重加固的目的；施工便捷，工效高且施工質(zhì)量易于保證，對道路通車的影響可以降低至最低；對裂縫進(jìn)行灌縫處理可以對裂縫實(shí)施有效的加固，抑制裂縫開展，恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體剛度；并且裂縫封閉后還可以阻止水氣從裂縫處的滲入而引起的鋼筋銹蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。下部結(jié)構(gòu)1、蓋梁 針對該橋墩蓋梁開裂提出了以下加固方案：加大墩

10、柱直徑，由1.6米加到2.3米，并在舊蓋梁下粘貼一個(gè)新蓋梁，支承于加大的墩柱部分，并更換外側(cè)支座，新舊蓋梁共同受力。此法既可保證蓋梁及整個(gè)橋梁受力安全、又對橋型及外觀改變不大。2、中墩 在現(xiàn)況梁上施加臨時(shí)扭矩將已翻轉(zhuǎn)的梁復(fù)位，側(cè)向線位移不考慮復(fù)位。之后將墩柱直徑加大（2.3米）并將墩柱與梁固接。同時(shí)由于該橋中墩為2樁承臺(tái)，且2根樁順橋向布置，橫向剛度很差，故在外側(cè)加樁、加承臺(tái)。3、支座更換考慮到一號(hào)橋外側(cè)支座變形較大，同時(shí)為消除負(fù)反力，在頂梁的同時(shí)將梁端頂起2.5 3厘米，拆除3個(gè)舊支座，安裝2個(gè)內(nèi)外側(cè)支座，取消中間支座。圖2 換支座的頂點(diǎn)位置立面示意圖圖2 換支座的頂點(diǎn)位置剖面及局部示意圖四

11、、加固效果該橋經(jīng)加固后主要解決了以下問題： 公用墩蓋梁承載能力達(dá)到設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，保證了使用安全。解決了端支點(diǎn)內(nèi)側(cè)支座脫空問題。支座反力由負(fù)反力變?yōu)?7噸壓力。 通過墩柱固結(jié)限制了箱梁的側(cè)向位移。 改善了梁的應(yīng)力狀態(tài)，延長使用壽命。 頂梁過程是通過多種計(jì)算在現(xiàn)況梁應(yīng)力狀態(tài)及承受能力允許條件下進(jìn)行的，對梁體沒有損害。五、施工注意事項(xiàng) (1)該橋總的加固施工步驟是：首先臨時(shí)加固公用墩蓋梁（須做臨時(shí)基礎(chǔ)），其次是：加固蓋梁、加固中墩、處理4橋裂縫。 (2)中墩固結(jié)前，分兩個(gè)步驟頂梁：第一步，分別頂6、9號(hào)墩并拆換支座。其過程可分為3級均勻加載，與此同時(shí)觀測3跨跨中豎向位移變化。第二步，同時(shí)在6 9 號(hào)墩各施加100，150，150，120T頂力，分3級均勻加載，同時(shí)觀測4個(gè)墩頂轉(zhuǎn)角位移變化。 (3)施工過程中