大跨度预应力混凝土连续箱梁桥病害及处理.pdf

2 0 1 0年第 2 期 广 东 公 路 交 通 G u a n g D o n g G o n g L u J i a o T o n g 总第 1 1 1 期 文章编号： 1 6 7 1 7 6 1 9 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 4 8 0 3 大跨度预应力混凝土连续箱梁桥病 害及处理 黄明宏 ( 广东省高速公路有限公司河源分公司， 广东河源5 1 7 0 0 0 ) 摘要： 预应力混凝土连续箱梁结构病害是成为桥梁管养过程中一个典型问题。以某特大桥为背景， 介绍该类桥 梁病害及其产生的主要原因， 并简要介绍其病害处理方法， 为同类桥梁提供参考。 关键词 ： 预应力混凝 土；连续 粱；裂缝；下挠 ；体外预应力 中图分类号： U 4 4 8 2 1 3 文献标识码 ： B 0 引言 预应力混凝 土连续箱梁 因其受 力合理、 跨越 能力较强 而应用广 泛。在近 年的桥梁运 营管理 中， 由于各种非设计因素的影 响， 预应力混凝土连 续箱梁桥出现了各种病害。以惠河高速公路东江 特大桥为例， 该桥在建成通车数年后发现箱梁顶 板、 腹板和底板存在不同程度的开裂 ， 同时粱体存 在一定的下挠。为了防止这些病 害进一步恶化 ， 需在准确分析其成因的基础上及时采取合理措施 进行处理。 1 预应力混凝土连续箱梁常见病害及分析 连续箱梁一 般采用 三向预 应力体 系， 各向预 应力在不同程度上能提高混凝土 的性能。但 由于 预应力混凝土连续箱梁 自身 的构造特点、 设计理 念的局限性、 施工工艺及控制 以及桥梁运营期 间 的实际荷载等因数 的影响 ， 使得结构在不同部位 出现病 害 ： ( 1 ) 箱梁顶板开裂 ： 裂缝沿纵 向发展 ， 在横桥 向均匀分布且宽度较小 ， 全桥范围内都有分布。 由裂缝的性状来看 ， 导致结构开裂 的原 因主 要有以下几个 ： 一方面， 由于泊松效应 ， 箱梁顶板 在纵向预应力作用下产生横 向拉应 力， 进而在汽 车荷载作用下产生横 向弯矩而开裂 ， 虽 然在顶板 布置横向预应力 ， 但 由于施工工艺控制等影响， 横 向预应力张拉效果难 以得到保证。另一方面 ， 预 应力位于顶板截面中性轴处 ， 对抵抗横 向弯矩作 用不大。此外混凝土早期的收缩变形也是该类裂 缝出现的一个诱 因。 ( 2 ) 箱梁腹板开裂 ： 箱梁腹板在主梁四分点附 近存在斜向裂缝 ， 裂缝 与梁体顶缘线成 3 O 。 5 0 。 48 角， 有的裂缝甚至沿箱梁全高 度延伸 ， 宽度在0 5 m m以上 ， 通常中跨较边跨病害严重。 箱梁腹板斜裂缝主要是 由于结构抗剪能力不 足引起的。在早期 的桥梁设计 中， 对混凝土结构 特 l生认识不足 ， 在优化设计思想的指导下 ， 往往使 得结构构件尺寸偏小 ， 这是导致该类裂缝 出现 的 根本原因之一。同时由于提高构件 的抗剪强度 的 竖向预应力筋较短 ， 且在张拉工艺控制 等因数的 影响下 ， 导致预应力损失较大， 使得竖向预应力张 拉的效果往往不理想 ， 这 是导致该类裂缝 出现的 另一个主要原因。 此外在 2 0 0 4版新“ 桥规” 颁布之前 ， 结构设计 对 日照温差荷载均按顶板升温 5 考虑， 大量工程 实践表明， 这与实际情况存在较大的偏差， 明显低 估了实际温度梯度荷载 的作用 ， 导致设计分析箱 梁主拉应力偏小。 ( 3 ) 箱梁施工缝开裂 ： 箱梁施工缝处腹板底板 不同程度存在开裂现象 ， 通常 以底板裂缝为主， 部 分腹板裂缝与底板裂缝贯通。裂缝宽度依病害程 度不一 ， 箱梁内外均可见， 多分布在中跨跨中附近。 由于箱梁采用逐段悬浇 的施工方法， 受施 工 工艺和施工质量等 因素 的影响 ， 新 旧混凝土结合 处易在施工阶段存在初始缺陷， 并在后期运营荷 载作用下开裂。同时由于合拢段处预应力施加效 果未能达到预期 ， 导致构件局部预应力不足 ， 使得 合拢段处开裂最为严重。 ( 4 ) 主梁下挠 ： 多表现为中跨跨 中下挠 ， 下挠量 与跨径大小和运营时间长短有关 。主跨 8 01 0 0 m 的连续梁或连续刚构 1 0年下挠量可达 1 0 0 ra m， 而某 主跨 2 4 5 m连续刚构 9年下挠量达 3 2 0 ra m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 2期 黄明宏大跨度预应力混凝 土连续箱梁桥病害及处理 总第 1 1 1 期 该类桥梁的上述病 害并 非独立存在 ， 箱梁开 裂导致结构刚度降低 ， 使得主梁下挠加剧 ； 而主梁 的下挠又会反过来加速结构裂缝的发展。因而对 于该类结构病害应及 时发现和处理 ， 避免为结构 的安全运营带来隐患。 2 病害处理方法 在不改变原有结构体 系 的情况下 ， 混凝 土结 构病害处理的方法主要有增大截面法、 粘贴钢板 纤维法和体外预应力法 ， 前两 者属于被动加 固方 法 ， 而后者则为主动改善结构受力的主动加固法。 ( 1 ) 增大截面法。通过加大结构构件尺寸 ， 增 加构件的刚度 ， 从而达到提高结构承载力的效果。 ( 2 ) 粘贴钢板 碳纤维法。通过在结构构件薄 弱处粘贴钢板或纤维布 ， 从而改善结构 的应 力状 态 ， 限制裂缝的进一步发展 ， 以达到补强 和提高结 构承载力的目的。 ( 3 ) 体外预应力法。根据结构现有受力状态 ， 通过合理 布置体外预应力 钢束 改善结构受 力， 补 偿实际桥梁结构部分梁段 预应 力度不足 ， 并 抑制 结构的进一步下挠 。 工程实践中应根据结构 的受力特点和实 际病 害状况 ， 综合考虑受力 的合理 性、 经济性 以及对交 通运营的影响等因素 ， 选择适 当的方案 。 3 工程实例 3 1 工 程概况 东江特大桥是 惠河 高速公 路 跨越 东江 的一 座特大桥 ， 桥 梁全长 6 5 2 1 1 m， 主 桥为 四跨连 续 箱梁 ， 跨径组合 4 5 m+ 28 0 m+4 5 m。单 幅桥面 宽1 1 3 8 m。 主桥箱梁采 用变高 度单箱单 室截面 ， 5 O号混凝土 ， 三向预应力体 系。设计荷载为汽 一 超 2 O 、 挂 一1 2 0级 。 3 2 结 构病 害 ( 1 ) 顶板纵向开裂 ， 裂缝沿纵向通长分布。 ( 2 ) 腹板斜向开裂 ， 主要集 中在 中跨 四分点附 b ) 主拉应 力 注 ： 图中正值为压应力 ， 负值 为拉应 力。 图 l 张拉前荷载组合 截面主应力分布图( 单位： MP a ) 近 ， 裂缝在箱梁 内外侧腹板均有分布 ， 而在历次的 检查 中发现该类裂缝 在逐年发展 。施 工缝开裂 ， 以中跨跨中最 为严 重 ， 最 大裂缝宽度 0 5 m m。造 成腹板开裂 的原因主要有 ： 一方 面， 腹板的竖向预 应力筋较短， 加之张拉效果不理想， 使得永存竖向 预应力低于设计要求； 另一方面， 原设计箱梁温度 梯度按8 5规范取值， 与广东地区的实际情况有较 大出人。在模拟以上两个影响 因数对结构进行验 算后发现 ， 其最大主压应力小于规范 限值， 而最大 主拉应力大于规范限值， 且最大主拉应力出现在 中跨四分点附近 ， 这与腹板存在较严重斜裂缝 的 位置相吻合。 ( 3 ) 中跨合 拢段腹 板、 底 板不 同程度存在开 裂 ， 其原因主要是合拢段存在局部预应 力不足现 象 ， 合拢段在荷载作用下发生开裂 ， 同时由于在施 工过程 中混凝土接合面处理不佳 ， 导致 施工缝处 混凝土不密实 ， 从而使得施工缝处开裂最为严重。 3 3 加 固措 施 针对主梁腹 板 、 施工 缝及 合拢 段病害 ， 根据 荷载试验反映 的结构实际受 力状态 ， 对主梁采用 主动与被动相结合 的方法进行加 固 ， 其施工的顺 序为： 先封闭裂缝 ， 再施加体外 预应力 ， 最后粘贴 钢板 。 ( 1 ) 对箱梁裂缝进行处理 ， 提高结构耐久性。 ( 2 ) 对主跨施加体外预应力， 以提高主梁结 构预应力度 ， 补偿实 际结构部分梁段预应力度不 足 ， 同时可改善结构 的变形趋势 ， 抑制结构下挠。 由图 1图 2可 以看 出 ， 体外 预应力 的施加使得 箱梁截面主拉应力较张拉前有所减小 ， 且最大主 拉应力小于规范限值 ； 同时最大主压应力小于规 范限值 。 ( 3 ) 对腹 板、 底板及合龙段开裂处粘贴钢板， 以提高结构刚度 ， 改善原有钢筋及混凝土 的受力 状态 ， 限制裂缝的进一步发展 。 注： 图 中正值为压应 力 ， 负值 为拉应 力。 图2 张拉后荷载组合 截面主应力分布图( 单位： M P a ) 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 2 期 广东公路交通 总第 1 1 1 期 3 4 加固效果 加固施工期间进行 了施工监控， 其结果表明： 维 修加固施工完毕后， 由于体外预应力的张拉， 使得结 构裂缝不同程度存在闭合现象， 其最大闭合量为 0 0 4 6 m m； 各孔跨 中底板及各墩墩顶的应力时程 曲线 呈现明显的台阶式变化 曲线( 其应力增量见图 3 ) ， 表明在张拉体外索后 ， 该孔跨中截面及墩顶截面压 应力有较为明显 的增加， 使得截面的应力状态得到 改善。同时粘贴的钢板与结构共同作用 ， 使得结构 刚度有所提高 ， 进一步提高结构的承载力。 注： 图 中正值为压应力 ， 负值为拉应 力。 图3 施加体外预应力截面上下缘应力增量分布图 ( 单位： MP a ) 上述结果表 明， 对结构进行 的维修加 固使得 结构受力有 了较为明显的改善 ， 而结构整体的加 固效果将 在桥梁后 续 的运 营过程进一步体 现出 来。 4 结语 大跨度预应力混凝土连续箱梁结构的病害正 在受到越来越多的关注， 由于这类病 害产生原 因 的复杂性， 对结构长期正常运 营影 响的重要性 ， 笔 者建议对其应及早发现、 及早处理。东江特大桥 工程实践表明， 采用主动加 固与被动加固相结合 的方式 ， 通过适当的施加体外预应力 ， 辅 以粘贴钢 板的措施 ， 可以有效地改善结构受力状态 ， 遏制结 构病害的进一步发展。 参考文献： 1 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 2 牛斌 体外预应力混凝土梁极限状态分析 J 土 木工程学报 ， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 7l 5 3 王有志等 桥梁的可靠性评估与加固 M 北京： 水利水电出版社， 2 0 0 2 4 石雪飞， 王法武， 阮欣 大跨径预应力混凝土梁桥 跨中挠度主要影响因素研究 C 北京： 中国公路学会桥 梁和结构工程分会， 2 0 0 6 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 41 O ) Di s e a s e an d Tr e a t me n t o f La r ge s p a n pr e s t r e s s e d c o nc r e t e c o nt i nu o u s bo x g i r de r br i dg e HUANG M gh o n g ( He y u a n B r a n c h， G u a n g d o n g P r o v i n c i a l F r e e w a y C o ，L t d ， H e y u a n 5 1 7 0 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Di s e a s e s o f c o n t i nu o u s p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b o x g i r de r h a s b e c o me o n e o f t h e t y pi c a l p r o b l e ms f o r b rid g e ma i n t e n a n c e Ta k i n g a b rid g e a s t h e b a c kg r o u n d，d e s c rip t i o n o f s u c h b rid g e s a nd t h e ma i n c a u s e s o f d i s e a s e h a s b e e n p o i n t e d o u t ，a s w e l l a s the d i s e a s e t r e a t me n t me t h o d s b e i n g b r i e fl y i n t r o d u c e d ，w h i c h c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e for s i mi l a r b rid g e s Ke y wo r d s ： p r e s t r e s s e d c o n c r e t e；c o n t i nu o u s b e a m ；c r a c k；De fle c t i o n；e x t e ma l p r e s tre s s i n g 5 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m