佛开高速公路预应力混凝土连续工字梁桥加固后状态评估

陈 云，刘伯奇

(1.广东省佛开高速公路有限公司，广东 佛山 528000;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概述

佛开高速公路某特大桥引桥上部结构采用7×20 m预应力混凝土连续工字梁(单幅横向布置4片)，梁高110 cm。下部结构为钢筋混凝土桩柱式桥墩、肋板式桥台，支座采用板式橡胶支座。桥面采用水泥混凝土铺装。设计荷载为汽车—超20级、挂车—120。该桥于1994年3月8日开工，1996年8月建成通车。支点横断面如图1所示。

在2007年桥梁定期检查中，发现工字梁梁端处裂缝出现了很大程度的发展。裂缝形式主要有以下3种:①梁端腹板顶部的斜向裂缝;②梁端腹板的竖向裂缝;③贯通梁端腹板以及底板的U型裂缝，裂缝基本沿着梁端湿接头与预制梁接缝的位置。典型的裂缝病害形式如图2所示。

图1 20 m跨连续工字梁支座处横断面(单位:cm)

根据历年的检查检测情况，对20 m连续工字梁墩顶湿接缝及端横隔板采用增大截面的方法进行了加固，并增设了横向预应力，具体加固构造如图3、图4所示。

图2 工字梁加固前病害情况典型照片

图3 墩顶湿接缝加固立面构造(单位:cm)

图4 墩顶湿接缝加固平面构造(单位:cm)

2 评价思路及内容

2.1 评价

1)加固效果有效性评价

本次评价主要通过荷载试验及计算分析的方式，对桥梁加固后是否满足设计荷载使用要求，及桥梁加固后承载力的提高进行量化分析。

①基于计算分析的有效性评价

根据加固设计图纸，采用计算分析的方法，给出加固前后桥梁承载力的提高率。

②基于荷载试验的有效性评价

荷载试验的方法与结构计算方法不同，它比较直接地反映了桥梁加固后，设计活载作用下桥梁真实的响应，是对使用阶段桥梁受力、变形改善情况的直观检验。本次通过荷载试验给出加固前后设计活载下混凝土(或钢筋)应力的改善情况，对加固效果进行评价。

2)加固效果耐久性评价

采用取芯方法检测新增混凝土与原混凝土的黏结及协同受力情况。要求黏结较好，不出现脱层现象。

2.2 主要工作内容

1)外观检查。增大截面加固方式主要检查新增混凝土表观状况以及采用取芯方法检测新增混凝土与原混凝土的黏结及协同受力情况。

2)计算分析。通过对试验桥跨的计算分析，验算加固后结构是否能满足规范要求、加固措施对结构受力的改善情况。

3)荷载试验。本次试验桥跨选择该桥第44～50跨(7×20 m预应力混凝土连续工字梁)进行。通过荷载试验，分析加固之后试验桥联受力是否能满足规范要求。

3 桥梁加固后状态评估

3.1 历年检测情况

通过2008年至2012年对梁端加大截面区域检测结果的对比分析，工字梁梁端新增混凝土倒角处有短细裂缝，宽度约为0.1 mm左右;从裂缝形态上来看，属于混凝土收缩裂缝，与梁端原有裂缝无明显对应关系。

3.2 现场抽芯检测

检查结果显示，梁体两侧腹板加大截面处新旧混凝土交接面质量较差，普遍存在开裂现象;取芯检测也表明，新旧混凝土间黏结质量普遍较差，在抽取的20个芯样中仅有一个芯样新旧混凝土间连接状况较好。根据原设计图纸，新增混凝土与旧混凝土间未明确要求进行凿毛处理，仅涂刷界面剂，在加固完成至今原有界面剂老化从而影响了新老混凝土间的黏结，对加固效果也有较大的影响。

3.3 计算分析

本次计算分析工作选取静载试验所选取桥跨的工字梁进行结构检算，计算时针对该桥的主要加固措施计算以下内容:

1)七孔一联连续梁模型(原设计状态)，验算在原设计状态下结构受力是否满足规范要求，根据计算结果对结构病害原因进行分析。

2)针对梁端增大截面的加固方式进行专项验算，验算经加固后结构梁端抗剪承载力是否满足要求。

结构计算其它参数按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023—85)规定选取。

3.3.1 原设计状态承载力极限状态验算(表1、表2)

表1 承载能力极限状态弯矩检算 kN·m

表2 承载能力极限状态剪力检算 kN

从承载能力极限状态检算结果可知，原桥梁结构抗弯承载能力基本满足规范要求，但次边跨跨中抗弯承载能力以及梁端抗剪承载能力富余量较小。这也是梁端湿接缝与梁体交界处出现斜向开裂的主要原因。

3.3.2 针对梁端加固方式进行专项验算

针对梁端增大截面的加固方式进行专项验算，偏安全地仅考虑新增截面参与受力进行抗剪验算。加固后结构支点处最大剪力Qj=1 012 kN，按照加固设计规范计算最大抗力Vj=1 556 kN。

可见采用增大截面的方法，在不考虑原结构抗剪承载能力情况下，加固后结构抗剪承载能力能够满足规范要求。这说明采用增大截面的加固方式对梁端进行加固处理，可以有效地提高梁端截面的抗剪承载力。

3.4 荷载试验

3.4.1 试验内容

根据预应力混凝土连续工字梁结构的受力特点，本桥静载试验的测试截面共4个，分别为第50跨0.4L处最大正弯矩截面(A)、49#墩墩顶最大负弯矩截面(B)、第49跨跨中最大正弯矩截面(C)以及第47跨跨中最大正弯矩截面(D)。测试截面的分布情况见图5。

通过对结构的主要控制截面进行静载测试，了解测试截面在试验荷载作用下的应变分布及变形情况，评定结构加固后的工作状态。

图5 预应力连续工字梁桥跨测试截面(单位:m)

主要测试内容如下:

1)测试各控制截面的应变，根据试验结果分析结构经加固后主控截面是否满足设计要求;

2)测试各控制截面的挠度，根据实测试验荷载作用下的变位状况，判断结构整体刚度状况;

3)测试各主控截面相邻跨跨中的变位，根据实测试验荷载作用下相邻跨的变位情况，对结构的整体变形状态进行评价，以此判断加大截面方式加固结构整体变形是否正常。

3.4.2 主要测试结果

1)结构在卸载后各测点的相对残余变形均小于20%，基本上满足《评定规程》中的要求，说明各测试截面均处于弹性工作状态。

2)各抗裂测点应变与荷载效率呈良好的线性关系，且试验过程中各测点应变无畸变、退化现象，说明经施加体外预应力加固处理之后梁体抗裂性基本满足要求。

3)通过对跨缝测点实测数据分析，试验过程中结构的裂缝虽然有一定程度的扩展，但卸载后均能恢复。

4)结构实测挠度变形的平均值均小于理论值，加载孔两侧桥跨的变形基本上符合连续梁的受力特点，未出现异常变形，表明加固后结构连续状况基本良好，说明梁端增大截面的加固措施是有效的。如图6至图8所示。

5)各测试截面的应变、挠度校验系数(表3)均满足规范要求。

图6 A截面最大级工况下1#梁实测挠曲线与理论挠曲线对比

图7 C截面最大级工况下1#梁实测挠曲线与理论挠曲线对比

图8 D截面最大级工况下1#梁实测挠曲线与理论挠曲线对比

表3 20 m跨工字梁荷载试验校验系数一览

4 结语

1)加固方式有效性评价

理论计算分析可知，对梁端加大截面加固后截面抗剪承载力明显提高，即使不考虑原有混凝土结构的抗剪承载力，新增混凝土部分的抗剪承载力也可满足规范要求。以往检测资料以及本次检测结果显示，加固之后梁端状况基本正常，新增混凝土表面存在一些由于混凝土收缩造成的竖向开裂，裂缝位置与梁端原有裂缝位置对应关系不明显，梁端原有混凝土未出现重新开裂现象。同时从荷载试验结果来看，结构变形曲线满足连续梁的变形规律。这都说明经过增大截面加固后梁端抗剪承载力能够满足规范要求，加固后梁端斜裂缝得到较好的抑制。

2)加固方式耐久性评价

从现场外观检查结果来看，梁端原有混凝土未出现重新开裂现象，但新增混凝土表面存在较多的竖向收缩裂缝;取芯结果显示，新旧混凝土之间黏结状况普遍较差，绝大多数芯样新旧混凝土之间存在明显分层现象(这主要与加固施工时未对旧混凝土进行凿毛处理以及界面剂老化等因素有关)，对加固效果的耐久性有较大的影响。

3)对后期采用该项加固方法的建议

①为了保证新增混凝土能有效地发挥作用，应保证新旧混凝土间黏结质量，建议加固施工时对旧混凝土表面进行凿毛处理，严格控制界面剂的质量及施工工艺。

②加强加固施工过程中对新增混凝土的养护，尽量减少由于养护不当产生的混凝土收缩裂缝。

[1]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，2007.

[2]姚玲森.桥梁工程[M].2版.北京:人民交通出版社，2008.

[3]胡巧玲.装配式预应力混凝土空心板梁加固方式的探讨[J].铁道建筑，2009(3):27-28.

[4]邓志飞，曾天养，梁志广.深圳市某跨铁路线桥梁的改造加固与评估[J].铁道建筑，2009(3):21-23.

[5]中华人民共和国交通运输部.JTG/T J21—2011 公路桥梁承载能力检测评定规程[S].北京:人民交通出版社，2011.

[6]徐光辉，胡明义.梁桥[M].北京:人民交通出版社，2004.

[7]贺栓海，谢仁物.公路桥梁荷载横向分布计算[M].2版.北京:人民交通出版社，1996.