后张预应力砼弯箱梁桥的病害分析及加固设计.doc

后张预应力砼弯箱梁桥的病害分析及加固设计
崔玉萍
（北京市市政工程研究院 100037）
冯昌茂
（北京市市政工程设计研究总院 100045）

摘 要 某桥于1994年建成通车，由于温度变化、预应力扭矩和恒载扭矩的影响，特别是近几年来交通量和车辆载重的增加，使得该桥的主体结构以及盖梁出现了大量的裂缝，并且出现了梁体向外翻转以及支座脱空等现象，因此加固已势在必行。本文主要对该桥的病害原因进行了详细分析，并对该桥的加固措施进行了探讨。
关键词 预应力弯箱梁 裂缝 加固
一、工程概况
该桥建成于1994年，为预应力曲线箱梁，桥中心线半径为103.75米，桥全宽9.5米，箱宽4.5米，跨径组合为35+35+30米，全长100米，梁高1.65米，两个中间墩为直径D=1.6米独柱, 基础为两桩承台，柱顶设多向活动球形支座，墩柱高13米左右；箱梁两端设牛腿，由三个板式橡胶支座支承于隐盖梁上。板式橡胶支座型号为0.6x0.35x0.056 米。两外侧支座中心距离3.4米，隐盖梁宽度为2.3米，支承中线距盖梁中心0.85米，距盖梁边0.30米。
预应力混凝土箱梁配24束7－7Φ5 Rby=1860Mpa高强低松弛钢绞线。

图1.a 立面示意图

图1.b 平面示意图

二、破损情况及原因分析
破损情况
1、梁体向外偏转、支座脱空
1998年8月中墩防震挡块开始偏移，2000年3月加焊闭合钢板箍，6月发现加焊的闭合钢板箍焊缝处开裂，由此可见，此梁的位移及翻转正在缓慢发展。
2000年9月底发现该桥两端支点内侧支座脱空，脱空高度1.2cm左右，中间墩处梁体向圆心外侧爬行5cm左右，并伴有明显转动，坡度有0.6％左右，发现分段墩外侧支座附近隐形盖梁端部存在数条裂缝，最宽达1.1mm。其形状为梁端支座处混凝土发生劈裂，板式橡胶支座剪切、挤压变形严重。
2、梁体开裂
2000年10月初，发现箱梁底板有较多的横向裂缝，部分裂缝沿腹板延伸至悬臂板根部，再向桥宽方向延伸达到1米左右长度，裂缝宽度为0.1~0.28mm。
3、盖梁开裂
盖梁上也存在大量的裂缝，最大裂缝宽度达5mm左右。

原因分析
根据破坏现象（梁底裂缝除外）经分析，总的原因是由于对预应力曲线梁桥的受力特性及支承约束条件认识不足，计算手段不完备所造成的。具体详述如下：
1）没有足够的扭转和平面内线位移约束
中间支点根本没有扭转约束，而仅靠两个边支点的恒载压力产生扭转约束。而这种约束被各种荷载扭矩在内侧支座产生的负反力消除或减弱，使桥梁在扭转方向形成不稳定的结构体系，因此结构承担扭矩的能力大大降低。
2）忽略了预应力扭矩的存在
预应力曲线桥预加力径向分力使梁产生扭矩，在梁端内侧支座产生负反力，外侧支座产生较大的偏载。而预应力竖向反力产生的扭矩由于内外梁肋配束相同，基本上是自身平衡的。
3）温度变化产生的爬行效应
由于温差曲线梁要产生径向和切向位移，由于扭转约束和平面线位移约束不够，升温时向外侧的线位移在降温时不能完全恢复，形成向外侧线位移逐渐积累，使梁体长生不利的向外偏心，造成恒载扭矩加大，使梁体逐渐向外侧翻转的恶性循环，当翻转角度达到一定值时，梁体自重产生下滑力，会使梁体坠落。
4）忽略了恒载扭矩
由于该桥曲线半径较大（>100米），忽视了在中间墩柱设置偏心，以减少桥两端恒载扭矩作用，造成内外侧支座反力相差很大（约3倍），外侧支座过大超载。
如上所述，盖梁裂缝等现象均源于上述原因造成的外侧支座过大偏载引起的，与此同时分段墩盖梁较薄、较宽，支座偏心产生的盖梁横向弯矩较大，而横向配筋除箍筋外没有通长的承受横向弯矩的钢筋，这也是盖梁裂缝的主要原因之一。
5）长期在超负荷状况下工作是造成桥梁的部分主梁过早出现裂缝的主要原因
该桥是按汽—超20级，挂—120荷载标准设计的，该桥的预应力配筋束，在原设计标准下梁的应力状态基本满足规范要求，没留余地。由于该地区属重要交通枢纽，交通流量增长很快，特别是重型载重车及集装箱车很多，超载情况严重。长期在超负荷状况下工作造成部分主梁过早出现裂缝，同时也加剧了上述盖梁的裂缝开展。
三、加固设计
根据该桥的破坏情况及原因分析，初步确定采用以下加固方案：
上部结构
经检测发现，该桥梁体的箱梁底板出现了大量的裂缝，梁体裂缝基本上属于由超载所引起的受力裂缝，且数量较多，部分底板已裂通；针对此现状，经复核验算，建议采用以下加固处理方案：
1）对已出现的裂缝采用环氧化学压力灌浆法进行加固处理。
2）剔除箱梁底板上已出现风化或劣化部位的混凝土并用高强聚合物砂浆进行修补。
3）对经过计算，发现其受力不能满足应力要求处在箱梁底面及侧面采用粘贴碳纤维布的方式进行受弯及受剪加固。
4）对牛腿节点采用多层粘贴碳纤维布的方式进行加固。
和其余加固方法相比，碳纤维加固具有强度高，占用施工时间少的特点，且在不改变梁体外观的前提下，既可以封闭裂缝，又能提高承载力和有效的避免梁体裂缝的继续开展，因此选用碳纤维对箱梁进行加固，以封闭裂缝，提高强度。经计算，采用该方法使得该桥的承载能力提高了5%。
表1 加固后箱梁的抗弯承载力提高幅度
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
58515
61518 KN.m
5%

与粘钢加固等传统方法相比，碳纤维加固具有许多突出的特点及优越性，见下表所示：
表2 碳纤维加固与粘钢加固方法的比较
序号
项 目
粘钢加固等传统加固方法
粘贴碳纤维加固
1
对原结构自重、断面等的影响
影响较大，结构自重增大，截面尺寸增大，净空减小
不增加结构自重和截面尺寸，为布状片材，每平米重量约300g, 每层厚度仅0.167mm, 而强度为钢的10倍
2
施工工艺
施工工序较繁琐，有湿作业，需相关的机械设备，需占用较大场地、空间
施工便捷，手工操作，无需大型机具，没有湿作业，施工工效高
3
耐久性
外加钢结构易发生锈蚀，需定期维护
耐酸碱盐及大气环境的腐蚀，基本不须后期维护
4
工期
较长
较短
5
加固效果
加固效果不易保证，必须设有锚栓等锚固措施，易造成混凝土结构局部损伤
不须机械锚固措施，加固效果好，加固质量易保证
6
加固技术的先进性
传统的加固方法，在其它发达国家已不用
先进的加固方法，在日美等发达国家已普遍应用
7
工程造价
与碳纤维加固相当
长期经济效益佳

之所以采用碳纤维对该桥进行加固，主要是考虑到以下几方面的优点：①采用碳纤维布加固技术可以提高箱梁的抗弯、抗剪承载力及刚度；增加桥梁结构的强度安全储备，同时碳纤维材料高强度、高弹模，可以有效地约束混凝土变形，限制裂缝开展；②碳纤维具有良好的耐久性能，能抗拒大气环境下所产生的各种腐蚀，使用该项加固方法对结构进行处理后不仅无须做定期的维护，节省了大笔维修费用，而且其本身更可以起到对内部混凝土结构的保护作用，达到双重加固的目的；③施工便捷，工效高且施工质量易于保证，对道路通车的影响可以降低至最低；④对裂缝进行灌缝处理可以对裂缝实施有效的加固，抑制裂缝开展，恢复结构整体刚度；并且裂缝封闭后还可以阻止水气从裂缝处的渗入而引起的钢筋锈蚀，提高结构的耐久性。
下部结构
1、盖梁
针对该桥墩盖梁开裂提出了以下加固方案：
加大墩柱直径，由1.6米加到2.3米，并在旧盖梁下粘贴一个新盖梁，支承于加大的墩柱部分，并更换外侧支座，新旧盖梁共同受力。此法既可保证盖梁及整个桥梁受力安全、又对桥型及外观改变不大。
2、中墩
在现况梁上施加临时扭矩将已翻转的梁复位，侧向线位移不考虑复位。之后将墩柱直径加大（2.3米）并将墩柱与梁固接。同时由于该桥中墩为2桩承台，且2根桩顺桥向布置，横向刚度很差，故在外侧加桩、加承台。
3、支座更换
考虑到一号桥外侧支座变形较大，同时为消除负反力，在顶梁的同时将梁端顶起2.5 ～ 3厘米，拆除3个旧支座，安装2个内外侧支座，取消中间支座。

图2 换支座的顶点位置立面示意图

图2 换支座的顶点位置剖面及局部示意图

四、加固效果
该桥经加固后主要解决了以下问题：
① 公用墩盖梁承载能力达到设计荷载标准，保证了使用安全。解决了端支点内侧支座脱空问题。支座反力由负反力变为27吨压力。
② 通过墩柱固结限制了箱梁的侧向位移。
③ 改善了梁的应力状态，延长使用寿命。
④ 顶梁过程是通过多种计算在现况梁应力状态及承受能力允许条件下进行的，对梁体没有损害。
五、施工注意事项
(1)该桥总的加固施工步骤是：首先临时加固公用墩盖梁（须做临时基础），其次是：加固盖梁、加固中墩、处理4＃桥裂缝。
(2)中墩固结前，分两个步骤顶梁：
第一步，分别顶6、9号墩并拆换支座。其过程可分为3级均匀加载，与此同时观测3跨跨中竖向位移变化。
第二步，同时在6 ~ 9 号墩各施加100，150，150，120T顶力，分3级均匀加载，同时观测4个墩顶转角位移变化。
(3)施工过程中关键问题必须保质保量完成喜利得植筋和锚固螺栓施工。
(4)中墩加固时，须向上顶梁，必须搭设牢固可靠的临时支架，支承于新加承台上。待墩柱与梁体固结完成后拆卸顶力时，须均匀缓慢卸载，避免产生冲击荷载。
参考文献:
1、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》
2、《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》
3、《混凝土结构设计规范》
4、原有关资料及图纸
5、《桥梁的维修与加固》

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