连续刚构桥病害分析与处理

寇明国

1 问题的提出

连续刚构是大跨度梁式桥的主要桥型之一，连续梁体与薄壁桥墩固结而成，以其良好的结构性能、较大的抗扭刚度，经济的施工方法得到了很大地推广。但是预应力混凝土连续刚构桥成桥后，普遍出现腹板开裂、底板纵向开裂、跨中下挠和非荷载裂缝的增长等质量问题[1］。这是由于设计规范没有对温度效应和混凝土收缩徐变效应的影响程度和长期效应认识严重不足，因此造成20世纪70年代～90年代初竣工的连续刚构桥梁普遍存在诸多病害。

2 病害分析

本文以某公路桥为例进行阐述。该连续刚构桥布跨形式为55 m+88 m+55 m，梁截面采用单箱单室，墩顶梁高4.811 m，合龙段梁高2 m，梁宽19 m(见图1)，桥面横向布置为2.0 m(人行道)+15 m(行车道)+2.0 m(人行道)。箱梁顶面为半径7 500 m的圆形竖曲线，底缘按二次抛物线变化，纵向设置±2.5%纵坡，变坡点在主桥主跨中心，桥面横坡为1.5%，全桥基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径分别为1.2 m和1.5 m，所有桩均按摩擦桩考虑。主桥墩身采用混凝土空心墩。该桥建成于1997年，运行14年。

图1 箱梁截面布置图

通过对该桥的检测发现桥梁存在以下病害:

1)主桥存在众多的顺桥向裂缝，主要集中在箱底东西两侧，最大裂缝宽度达0.3 mm，已超限。产生该裂缝的主要原因是由于箱梁底板在横向为普遍钢筋混凝土构件，在纵向曲线预应力钢束的预加力作用下，对顺桥向拱起底板存在径向分布力，由此产生纵桥向裂缝。

2)中墩两侧1/4跨处箱梁腹板有10多条斜裂缝，未裂穿腹板，最大裂缝宽度达0.3 mm，裂缝间距约20 cm，裂缝长度为37 cm～75 cm。经过对原有结构的分析，结构主应力分布见图2，图3。中墩两侧1/4跨处主拉应力较大，在重车影响下箱梁腹板可能会出现斜裂缝。斜裂缝的产生有以下几个原因:

a.温度效应影响。通过对《公路桥规》85规范和《公路桥涵设计通用规范》04规范的对比发现，温度梯度和收缩徐变是引起结构主拉应力增长的重要因素。

图2 《公路桥规》85规范计算结构正应力分布图（单位：MPa）

图3 《公路桥涵设计通用规范》04规范计算结构正应力分布图（单位：MPa）

在《公路桥规》85规范和《公路桥涵设计通用规范》04规范[2］中对温度梯度的规定有较大的差别，《公路桥规》85规范中日照温差规定桥面板升温为5℃(见图4)，在桥面板内均匀分布;而在《公路桥涵设计通用规范》04规范中采用如图5所示的竖向温度梯度曲线，竖向日照正温差计算的温度基数见表1。

图4 85规范竖向梯度温度

图5 04规范竖向梯度温度

表1 竖向日照正温差计算的温度基数

混凝土上部结构和带混凝土桥面板的钢结构的竖向日照反温差为正温差乘以－0.5。

该桥梯度温度对结构的影响计算见图6～图8。

图6 85规范梯度升温应力分布图（单位：MPa）

图7 04规范梯度升温应力分布图（单位：MPa）

图8 04规范梯度降温应力分布图（单位：MPa）

两本规范差异较大，温度梯度影响对结构的影响不容小觑。温度效应是导致裂缝开展的重要原因之一。

b.竖向预应力损失过大。由于竖向预应力筋长度较短，容易损失;顶板的锚头如果封闭不严，容易进水导致腐蚀。

两中墩部位0号块横隔板洞口处有竖向裂缝，裂缝宽度达0.3 mm，上下一致。这是由于本桥设计为宽大薄壁箱式，下部桥墩与上部箱室施工龄期不同，假如施工时养护不到位，就可能使横隔板因为混凝土的收缩徐变受到限制而产生裂缝。

主跨跨中下挠达到80 mm。引起梁体下挠的主要因素有以下几个方面原因:有效预应力不足或损失过大;混凝土收缩徐变的影响;梁体开裂后，刚度下降。

3 加固处理

为了防止裂缝的发展和跨中挠度的增加，本次加固主要采用了更换桥面系、粘贴钢板和体外预应力的方式解决以上问题。

1)更换桥面系。参照JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范，将现有的8 cm混凝土桥面铺装凿除，换成6 cm混凝土铺装层+防水层+5 cm沥青混凝土铺装，降低温度梯度效应对结构的影响。将上部混凝土护栏换成轻型护栏，以保证桥面系荷载不发生大的变化。

2)粘贴钢板。在箱梁底板处粘贴横向钢板抑制纵向裂缝的开展;在箱梁腹板处粘贴斜向钢板抑制斜向裂缝的发展;在0号块横隔板处粘贴横向钢板，抑制横隔板竖向裂缝的开展。钢板采用6 mm Q235B型钢板，钢板宽15 cm，每隔25 cm粘贴一个。

3)体外预应力筋。在中跨布置体外预应力，采用19φs15.2 mm外加PE护套的光滑型环氧涂层填充型钢绞线，钢绞线的抗拉强度fpk=1 860 MPa。钢束采用两段张拉，张拉控制应力取0.5fpk。钢束的布置形式如图9所示。

图9 钢束的布置形式

4 加固效果分析

2007年12月，该桥加固后进行了一次荷载试验，测试结果表明该桥承载能力满足原结构荷载等级汽车—超20级，挂车—120的荷载等级要求。

2010年10月该桥进行了一次检测，检测发现:

1)左边跨底板有一条纵向裂缝，长1.5 m，宽0.35 m;腹板斜裂缝除灌缝材料部分脱落外，没有新裂缝出现。0号块横隔板未加固位置出现斜裂缝，最大裂缝宽度为0.36 mm，长4 m，缝深132.7 mm。

2)箱梁内部加固钢板处多脱空，部分钢板表面锈蚀，钢板表面防锈漆有鼓泡、起皮、脱落等现象，约占总面积的1%。

3)跨中下挠量达到100.5 mm，比2006年3月检测时下挠量增加了20.5 mm。

4)荷载试验。在试验荷载作用下，挠度观测结果小于L/600，符合技术规范要求。实测基频大于理论基频。

通过对本次检测发现，2007年加固粘贴钢板和更换桥面系措施较好的抑制了裂缝的开展，体外预应力对中跨下挠有较好的控制作用。但是钢板的防腐和灌缝材料的脱落对加固长期效应非常不利，因此相关检测和养护部门应加强对该类桥梁的日常养护。

5 结语

开裂、下挠是目前连续刚构桥普遍存在的病害，要保持连续刚构的优越性能，必须减少桥梁结构病害的发生。防止病害的措施贯穿桥梁的设计、施工和运营养护的各个环节。防止病害要注意以下几点:

1)纵向预应力弯入腹板对腹板抗裂非常有利。建议设计时每梁段至少两根悬臂束入腹板[3］。2)施工中准确定位预应力管道，保证张拉后灌浆质量。3)施工中加强混凝土养护。避免早期裂缝的产生。等混凝土强度达到设计强度的90%以后，才能张拉预应力。4)减少竖向预应力损失，严格把握竖向预应力的各个施工工序[4］。5)设置横隔板的横向或者斜向交叉预应力，防止横隔板开裂。6)设置备用束，对桥梁合龙后以便对桥梁的受力和线性进行调整。7)制定严格的桥梁管养制度。

[1]谌润水，胡钊芳，帅长斌.公路旧桥加固技术与实例[M］.北京:人民交通出版社，2001.

[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S］.

[3]江 湧.大跨度连续刚构桥施工关键技术研究[D］.上海:同济大学，2006:8.

[4]吴文鸿.预应力连续刚构桥梁病害治理技术[J］.交通技术与经济，2010(5):4.