预应力混凝土连续箱梁桥加固措施浅析.pdf

公路 交通技术 2 0 1 0年 4月 第 2期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A p r 2 0 1 0 N o 2 预应力混凝土连续箱梁桥加固措施浅析 孙文智 ，李海光 ，梁 冰 ( 浙江省金华市公路管理处 ，浙江 金华3 2 1 0 0 1 ) 摘要 ：以某省道桥 梁采用腹板加厚 、增设横 隔板 、施 加体 外预应力 、粘贴钢板等措施对预应力混凝 土连续箱梁进 行加 固维修 为例 ，介绍并分析预应 力混凝土连 续箱梁桥加 固措施 ，为类似桥 梁的加 固维修提供参考。 关键词 ：预 应力；箱 梁桥 ；加固 文章编号 ：1 0 0 9 6 4 7 7 (2 0 1 0 ) 0 2 0 0 8 2 0 5 中图分类号 ：U 4 4 8 2 1 3 文献标识码：A An a ly s i s o f Re i n f o r c i n g Me a s u r e s f or Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Co n t in u o u s Bo x Gi r d e r Br id g e S U N We n z h i ， L I H a i g u a n g 2 ， L I A N G B i n d Abs t r a c t ：Ba s e d o n t he r e i nf o r c i n g r e p a i r f o r pr e s t r e s s e d c o n c r e t e c o nt i n uo us bo x g i r d e r s of a b r i d g e o n s o me p r o v i n c i a l e x p r e s s wa y b y me a n s o f me a s u r e s o f t h i c k e n i n g we b s ， a d d i n g d i a p h r a g m p l a t e s ， a p p l y i n g e x t e r n a l pr e s t r e s s a nd s t i c k i n g s t e e l pl a t e s for e xa mp l e ，t h i s p a pe r i n t r od u c e s a n d a n a l y z e s t he r e i nf o r c i n g me a s u r e s for pr e s t r e s s e d c o n c r e t e c o nt i n uo u s bo x g i r d e r s S O a s t o p r o v i d e a r e f e r e nc e fo r r e i n f o r c i n g r e p a i r o f s i mi l a r b r i dg e s Ke y wo r d s ：p r e s t r e s s ； bo x g i r de r b r i d g e ； r e i nf o r c e me n t 预应力混凝土连续箱梁桥具有整体性能好、结 构刚度大、变形小 、抗震性能好 、主梁变形挠曲线 平缓 、桥面伸缩缝少 、行车舒适等优点 。这种桥型 的设计施工均较成熟 ，施工质量和施工工期能得到 控制，成桥后养护工作量小，因此其在公路 、城市 桥梁工程 中得到广泛采用 。但由于箱梁结构的 自身 特点及设计 、施工中处理不当，随着预应力混凝土 连续箱梁桥营运时间的推移 ，箱梁的病害不断暴露 出来 ，严重影响了桥梁的正常使用 ，因此预应力混 凝土连续箱梁桥的维修加固问题越来越受到人们的 重视。本文通过对预应力混凝土连续箱梁桥加固实 例的介绍 ，对加固措施进行了分析 ，可为类似桥梁 的加固维修提供参考 。 1 连续箱梁桥常见病害 从营运的预应力混凝 土箱梁桥的实际情况看 ， 箱梁桥 主要病害为腹板裂缝 、顶板裂缝 、底板裂 缝 、梁体下挠等。 1 1 腹板裂缝 1 )支座附件区域腹板斜裂缝。 这类 裂缝一般 出现在支点与反弯点之间的 区 域 ，近似按 4 5 。 倾斜。在支座附近区域 ，剪切作用 与弯曲作用相叠加 ，初始开裂后 ，腹板中的倾斜裂 缝变得越来越斜 ，说明腹板抗剪能力不足，主拉方 向抗裂安全储备不够。 2 )连续梁边跨端部腹板斜裂缝。 连续梁边跨端部腹板受力比较特殊 ，应力分布 十分复杂。连续梁边跨端部通常是在支架上现浇 ， 此处剪力较大 ，在施工和体系转化过程中会受到一 些次内力 的影响，是局部受力集中之处 ；同时，巨 大的支座反力也主要依靠腹板传递 。边跨梁端又是 预应力钢筋集 中锚固区域 ，局部高应力所引起的局 部徐变也较大。分析其原因 ：主要与端部腹板没有 配置弯起索或弯起索不足有关 ，即使配置竖向预应 力筋 ，也会因钢筋较短或施工处理不当而造成较大 的预应力损失，难以满足主拉应力的要求。 3 )箱梁 内侧腹板裂缝 。 这类 裂缝 主要发生在边跨 附近或 中跨 3 L 4之间 ，主要分布于箱梁 内侧 。对于大跨度混 凝土箱梁桥 ，特别是箱室较宽 、横隔板较少的箱 梁桥 ，在荷载作用下箱梁 的变形不完全符合经典 梁理论周边刚性假定 ，会 出现截面畸变变形。主 要原因 ：由于箱底较宽 ，跨径与底板宽度 比值较 大 ，且中间无横隔板 ，远离支座位置底板的内力 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 2 1 6 作者简介 ：孙文智 ( 1 9 5 6 一) ，男 ，江西省上饶 市人 ，本科 ，教授级 高工 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 2期 孙文智 ，等 ：预应力混凝土连续箱梁桥加 固措施 浅析 8 3 直接传向腹板 ，不沿桥跨 纵向传递 内力 ；跨 中底 板较厚 ，底板在 自重状态下将 产生较大的 自重弯 矩 ；跨 中梁高较小 ，腹板横向抗 弯刚度很大 ，因 此跨 中位置腹板上将分配到较 大的 由底板 自重 引 起的侧 向挠 曲弯矩 ，又 由于跨 中截 面腹板厚度 较 薄 ，因此 在腹 板 内侧产生 较大 的竖桥 向拉应 力 ； 在箱 内外温差荷载作用 下 ，腹板 内 、外侧受 到了 较大的竖桥 向拉应力 ，其 中腹板 内侧 的竖 向拉应 力超过 了混凝土的抗拉极 限强度 ，导致腹板 内侧 产生大量裂缝。 1 2 顶 、底板裂缝 1 )梁底沿纵向预应力的贯通裂缝。 这类裂缝主要沿纵向预应力方向分布 ，主要原 因：在i向应力状态下 ，由于泊松 比效应 ，纵 向预 应力将对箱梁底板横 向受力产生一定 的拉力作用 ； 预应力筋施工时其管道偏位也会产生纵向裂缝。 2 )支撑处顶板或跨中底板 的横 向裂缝 。 出现该类裂缝的主要原因：预应力设计不合理 或预应力筋张拉不到位 ，梁在收缩徐变和钢束松弛 的影响下 ，弯矩最大截面的混凝土受拉区出现超过 混凝土抗拉强度的应力。对于边 、中跨较大的连续 梁 ，在边跨端部区域容易引起开裂。早期用顶推法 施工的预应力连续梁 ，由于设计配筋不合理 ，梁在 顶推施工中结构受力与运营状 态的结构受力相反 时 ，也容易出现横 向裂缝。有 的桥在顶推过程中甚 至出现贯通截面的裂缝 ，但这种裂缝在顶推就位后 一 般在反向受力下即可闭合。 3 )宽箱室连续梁桥顶板纵 向裂缝。 部分宽箱室的连续梁顶板存在纵 向裂缝。主要 由以下原 因引起 ：箱梁顶板横 向预应力筋 ，在汽车 活载的综合作用下 ，将使翼板横 向受力产生一定的 横向弯曲拉应力 ；由于箱梁的室宽较宽 ，腹板间距 较大，结构自重将在箱室翼板中产生较大的横向弯 曲拉应力 ；由于温度的变化和作用，封闭箱将产生 一 定的横向弯曲拉应力 。 2 连续箱梁桥常用的加固措施 根据桥梁不同部位的损坏情况 ，可 以采用不同 的加固措施 ，有时需采用多种措施。下面介绍常见 的预应力连续箱梁桥加固措施 。 1 )浇筑钢筋混凝 土加大截面 。多用于箱梁腹 板加厚 ，以增大构件受力截面，但应注意加大截面 时 自重也相应增加了。 2 )粘贴 钢板加固法 。一般用于腹板 、底板开 裂后的加固和顶板梗腋裂缝处 。在腹板上粘 贴钢 板 ，可以直接有效地限制裂缝 的开展 ，提高结构的 抗 力。钢板 与原结构必须可靠连接 ，并作 防锈处 理 。 3 )粘贴碳纤维加 固法 。主要用于提高构件抗 弯承载力 。使用此法加固几乎不增加原结构 自重 ， 一 般用于腹板 、底板开裂后的加固和顶板梗腋裂缝 处 。在腹板粘贴碳纤维板 ，粘贴范围延伸至梗腋 。 在底板 L 43 L 4范围内粘贴碳纤维板 ，在腹板上 粘贴碳纤维板 ，无需在腹板上打孔 ，对于开裂很严 重的腹板有利。粘贴 的碳纤维对腹板的刚度提高不 大，不能有效抑制裂缝的产生 ，只能限制裂缝宽度 不超过规范 的规定值 。 4 )预应力加 固法 。可较好地 提高构件强度 ， 控制裂缝和变形 。因预应力部分失效而进行加 固 时 ，若原结构有预 留孑 L ，则可在预 留孔 内穿预应 力束进行张拉 。若采用无粘结钢束 ，则可对原钢 束重新张拉 ，或增设齿板 、增加体外预应力束进 行张拉 。腹板抗剪强度不够时 ，可增加竖 向预应 力筋加 固。 5 )增加钢筋混凝土横 隔板加固法 。可增加桥 梁整体刚度 ，调整荷载横 向分配 。横隔板按一定 间距设置 1道 ，为防止增加 横隔板后 由于局部应 力集中引起局 部受力不利 ，增设体外 预应 力束 以 平衡横隔板 自重增加 引起 的内力。增 加横隔板可 有效增 强主梁 受力 的整体性 ，改善腹 板和底板的 受力状态 。 但是 ，由于所增加的混凝土横隔板产生较大的 自重 ，必须增设体外预应力加以平衡 ；另外 ，体外 预应力施工张拉 、锚固均有一定难度 ，且在运营期 的损失较大 ，养护也较为繁琐 ；同时浇筑横隔板时 在顶板位置很难浇筑密实 ，故施工有一定难度 。 6 )增加横 向加劲钢架加 固法。此方法适用于 箱室较宽 、中间无横隔板或少横隔板的箱梁桥。在 主梁箱 室内每隔一定 间距增加 1 道封 闭式加劲钢 架，以改善箱梁的整体受力性能。在加劲钢架的上 下锚梁问用螺杆施加竖向拉力 ，以平衡底板 自重产 生的弯矩。从计算分析结果看 ，竖向拉杆 的力对顶 板的受力影响不大 ，同时有加劲梁的共同作用 ，顶 板受力必然变大，且对底板的受力有明显改善。锚 梁采用环氧砂浆工字梁粘贴在顶、底、腹板上 ，由 于增加了竖向拉杆及锚梁 ，底板受力大大改善 ，底 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 0生 板外的裂缝只需封闭即可。增加加劲钢架可有效增 强主梁受力 的整体性 ，改善腹板和底板的受力状 态 ，施工也相对 比较简单方便 。采用此法 自重增加 不大 ，一般不需施加体外预应力束。但增加加劲钢 架和在腹板上粘贴钢架 ，需在顶 、底 、腹板上 打 孔 ，对原结构有一定的损伤 ；另外 ，加劲钢架的竖 向拉杆 由于拉力较小，拉力容易损失 ，对施工工艺 要求较高。 3 工程实例 3 1 工程概 况 某桥主桥结构形式为变截面连续箱梁 ，跨径布 置为 5 2 m+38 0 m+5 2 m( 图 1 ) 。横断面形式为 单箱单室箱形截 面 ，箱宽 8 m，两侧翼缘板悬 出 3 8 5 m。支点箱梁高 5 m，中孔跨 中及边孔墩附近 梁高为 2 4 m，箱梁下缘按 2次抛物线变化 。箱梁 底板和腹板厚度由中孔墩顶向两侧递减 ，中孑 L 墩两 侧底板和腹板厚度均为 6 0 e m，在 中孔跨中和边孔 墩顶附近，底板厚 3 0 e m，腹板厚 3 5 c m。 5 0 0 0 8 00 0 单位 ： 图 1 1 2主桥立面 主 桥 中 心 线 连续箱梁采用三向预应力结构 ：纵向预应力采 用 7 q 1 5 m m钢绞线 ，锚具 为 Y M1 5 7 ；横 向预应 力采用 2 4 q 5 m m碳素钢丝 ，张拉端为弗氏锚 ，固 定端用镦头锚锚板 ；竖 向预应力采用精扎螺纹粗钢 筋 ，锚具为 Y G M锚。箱梁为 C 5 0混凝土 ，采用挂 篮悬臂浇筑法施工。 桥面宽 度 ：净 一1 5 m+20 5 m 防撞护栏 。 设计荷载 ：汽车 一 2 0 ，挂车 一 1 0 0 ，人群 3 5 k N m z 。 3 2 病害状况 该桥于 1 9 9 7年建成通车。投入使用以来 ，由 于种种原 因，主跨连续箱梁 出现不 同程度 的病 害。 箱体出现较多裂缝 ，桥面铺装破损严重，伸缩缝破 损并老化变形 ，漏水问题尤为突出，已危及桥梁的 安全。为此对该桥主桥分别进行 了质量检测和荷载 试验，主要结果如下 。 1 )桥面系及附属设施 。 ( 1 )桥面铺装出现大量纵 、横向裂缝 ，大面积 网裂 、破碎 ，导致桥面防水效果降低 ，行车舒适性 差 。 ( 2 )全桥伸缩缝功能失效 ，橡胶板断裂 、松 动 、下沉 ，型钢松动 、缺失 ，跳车严重。 ( 3 )防撞护栏混凝土表面风化严重 ，金属构件 普遍严重锈蚀 ，个别部位有外倾现象。 2 )箱梁。 ( 1 )与竣工资料相比，箱梁各跨实测的纵向线 形有较大下挠。 ( 2 )混凝土表观质量较差 ，存在大面积蜂窝 、 麻面，局部有孔洞 、露筋 、钢筋锈蚀 ，部分施工节 段接缝不平顺 ，顶板挂篮孔渗水严重。 ( 3 )箱梁腹板 内侧有较多斜向裂缝 ，倾角从跨 中向支座逐渐加大 ，在跨 中附近裂缝走 向近于水 平 ，而腹板外侧裂缝较少。底板底面有较多纵向裂 缝 ，顶板纵向裂缝分布在跨 中附近 ，横隔板裂缝分 布无规律性 。箱梁共发现裂缝 2 5 5 2条，箱 内裂缝 宽度超过 0 2 m m的有 7 6 4条 ，裂缝 宽度超过 0 5 m m的有 2 3 条 。 ( 4 )实测箱梁混凝土强度推定值大于设计值 ， 但由于裂缝多而密 ，导致箱梁整体性较差 ；箱梁混 凝土碳化深度小于钢筋的保护层厚度；大部分混凝 土构件保护层厚度偏薄，检测部位的混凝土保护层 厚度多数小于设计要求；钢筋有锈蚀活动性，但锈 蚀状态不确定 。 ( 5 )预应力管道普遍存在未压浆现象 ，未压浆 预应力钢束( 钢筋) 都存在锈蚀，有些预应力管道积 水 ，加速了预应力钢束的锈蚀速度 。 ( 6 )实测桥跨结构频率低于计算值 ，说 明箱梁 刚度偏低 。 ( 7 )在各控制截面最不利载位加载时，各控制 截面的实测挠度小于理论计算挠度 ，挠度校验系数 在 0 4 0 9 8之 间；各控制截面混凝土实测弹性应 力基本小于理论计算应力 ，校验系数差异较大 ，一 般在 0 7 5 左右 ，但个别点校验系数大于 1 。 ( 8 )箱梁腹板裂缝宽度加载后有所扩展 ，卸载 后弹性恢复。 3 3 维修加 固措 施 根据该桥病害情况，经多方分析论证 ，确定桥 梁加固技术标准采用桥梁原设计规范 ，采取腹板加 厚 ，增设横隔板和体外预应力 ，腹板及顶 、底板补 强等多项加固措施。通过加 固，使该桥恢复到原设 计荷载等级汽车 一 2 0级 ，挂车 一 1 0 0 。 1 )箱梁腹板加厚 ，增设横隔板 ，施加体外预 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 2期 孙文智，等 ：预应力混凝土连续箱梁桥加 固措施 浅析 8 5 ( a )边跨加 固补强示意 ( b)中跨加 固补强示意 单位 ：e m 图 2 体外预应力及横隔板设置 应 力 。 ( 1 )加大截面加 固腹板 ，增设横隔板。 在箱梁腹板 内表面植 筋 ，绑扎钢筋 网，浇筑 1 2 e m混凝土加厚腹板。箱梁设计为单箱单室 ，箱 宽较大 ，宽箱效应明显 ，加固时增设横隔板( 图 2 ) ， 减小宽箱效应。 ( 2 )施加体外预应力。 腹板加厚 、增设横 隔板增加 了箱梁 自重 ，且 顶 、底板钢绞线存在锈蚀 ，其截面面积有所损失 ， 故在箱 内施加体外预应力 以改善结构 的应力状态 ( 图 2 ) 。 2 )封闭箱梁裂缝 ，修复混凝土局部缺陷。 针对混凝土缺陷如孑 L 洞 、蜂窝 、麻面等 ，采用 丙乳砂浆或丙乳混凝土修补。箱梁腹板 、顶板 、底 板 的混凝土裂缝采用树脂类材料进行灌缝或封闭 ， 以提高结构现存的刚度和整体性。 3 )箱梁腹板竖向预应力筋补张拉。 结合以往经验 ，腹板竖向预应力筋多有未张拉 现象。本桥根据雷达探测结果对竖向预应力钢筋进 行 了补张拉 ，并对竖向预应力筋管道进行补压浆 ， 以增加腹板强度 。 4 )开裂区段腹板及顶 、底板补强。 箱梁腹板及顶板开裂 ，表明开裂 区段混凝土应 力 已超过混凝土抗裂强度 ，必须对开裂 区进行补 强 。本桥在腹板内表面粘贴竖向钢板 ，钢板条贴过 顶板的梗腋。在底板下缘粘贴横桥 向的碳纤维片 ， 边跨体外预应力锚 固段处底板粘贴钢板。 5 )更换主桥的桥面铺装 和全桥伸缩缝。 本桥桥面混凝土铺装层大部分开裂 ，多处出现 破碎 ，且防水效果差。此次维修加固凿除了原桥面 铺装层 ，在箱梁顶面植筋 ，绑扎钢筋网 ，重新浇筑 桥面铺装 ，并酉 勺 J情调整桥面铺装横坡和厚度 ，以控 制桥面铺装重量 。由于伸缩缝损坏较严重 ，因此更 换全桥伸缩缝。 3 4加 固效果 通过采取腹板加厚并增设体外预应力等多种维 修加 固措施后 ，桥梁的整体受力性能得到了改善 ， 桥梁 的强度和刚度满足汽 一 2 O ，挂 1 0 0荷载等级 要求。经过近 1 年的营运 ，使用状况良好 。 4结语 本文通过对某 连续 箱梁桥维修加 固实例 的介 绍 ，分类总结了常见预应力混凝土连续箱梁桥加固 措施 。虽然预应力混凝土连续箱梁桥的加固措施在 工程实际中得到了较好的运用， 但加固措施的整体 效果和耐久性有待于今后进一步验证和研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 6 公路交通技术 2 0 1 0丘 参 考 文 献 【 1 】中交公路规划设计院 J T J 0 2 1 8 9 公路桥涵设计通用 规范【 S 】 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 4 【 2 】 中交公 路规划设计院 J T G D 6 2 -2 0 0 4 公 路钢筋混凝 土及预应力混凝土桥涵设计规范 北京 ： 人民交通 出版 社 ， 2 0 0 5 【 3 】 刘来君 ， 赵小星 桥梁加固设计 与施工技术 M】 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 4 【 4 】 陕西省公路局J T G H1 1 2 0 o 4 公路桥涵养护规范 【 s 】 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 4 【 上接 第 8 1页) 立即浇筑混凝土。混凝土浇筑过程 中，如孔壁仍有 少量渗水 ，应准确判断渗水量的大小 ，同时适 当调 整配合比的用水量来保证混凝土的质量 。 4 3 2 水下混 凝土 采用小型水钻灌注桩成孑 L 后 ，渗水量较大 ，无 法进行 “ 干灌混凝土”时 ，就必须采用 “ 水下混凝 土浇筑” 。水下混凝土施工必须严格按照水下混凝 土施工要求进行 ，首批混凝土储存应充足，满足导 管初次埋深 。水下混凝土浇筑过程中，导管埋深应 在 26 m 之 间 。浇 筑 混凝 土应 高 出设 计 标 高 0 51 m，在破除桩头后保证设计要求。 5 结束语 目前 ，重庆外环高速公路东段项 目桩基施工全 部完成 ，通过超声波检测合格率 1 0 0 ，混凝土质 量检验评定全部合格。在山区公路桩基施工中，特 别是表面覆盖层浅的地质环境中，桩基施工采用小 孔水钻 ，具有显著的优点。本项 目桩基施工采用小 孔水钻施工工艺 ，未发生任何质量和安全事故 ，为 今后同类型的施工提供 了一定的经验。在质量 、安 全、环保 、工期方面均取得了较好的成效 ，经济效 5 交通 部公路科学 院研究所J T G F 8 0 2 -2 0 0 4 公路工 程质量检验评定标准 S 1 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 4 【 6 6 张劲泉， 王文涛 桥梁检测与加固手册【 M 】 北京： 人民交 通出版社 ， 2 0 0 7 【 7 】 彭卫预应力混凝土连续箱梁桥防裂设计 M】 北 京 ： 地震 出版社 ， 2 0 0 6 【 8 范立础预应力混凝土连续梁桥 M 】 北京 ： 人 民交通 出 版社 ， 1 9 8 8 【 9 】 范立础 桥梁工程【 M 】 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 1 1 O 张继尧 ，王 昌将悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥【 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 4 益明显。 参 考 文 献 【 1 1 路桥集 团第一工程 局J r J 0 4 1 -2 0 0 0 公路桥涵 施工 技术规范【 s 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 0 【 2 交通部公路科 学院研究 所J T G F 8 0 1 -2 0 0 4 公 路工 程质量检验评定标准【 S 1 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 4 【 3 】 交通部第一公路工程总公司 桥涵 一公路施工手册 ( 下 ) M 】 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 4 【 4 1 浙江省交通厅工程质量监督站 公路施工环境保护监理 M 】 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 6 【 5 李宇峙 ， 秦仁杰工程质量监理【 M 】 北京 ： 人民交通 出版 社 ， 2 0 0 7 6 交通部基本建设 质量监督总站 ，中国交通建设监 理协 会 交通 建设 工程安 全监理 M 】 北 京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 7 刘 自明桥梁工程检测手册【 M 】 北京 ： 人 民交通出版社 ， 20 02 8 】 中国建筑科学 研究院J G J 1 0 7 -2 0 0 3 钢筋机 械连接 通用技术 规程f s 1北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 3 9 】 王仁怀岩溶地 区钻孔灌注桩施工技 术 C 中国公路学 会桥梁和结构工程学会论文集北京： 人民交通 出版社 ， 20 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m