预应力混凝土连续箱梁加宽改造后安全评估

陈韵，刘伯奇

(1.广东省佛开高速公路有限公司，广东广州528231;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

预应力混凝土连续箱梁加宽改造后安全评估

陈韵1，刘伯奇2

(1.广东省佛开高速公路有限公司，广东广州528231;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

随着部分高速公路进行加宽改造工作，位于加宽改造区段的已建桥梁的荷载等级相应提高，同时由于经过多年运营，部分桥梁已出现严重病害，因此须对此类桥梁重新进行安全评估。本文以广佛高速公路上一座加宽改造后的预应力混凝土连续箱梁为例，采用桥梁博士软件，按新旧规范分别对桥梁进行结构承载能力检算;通过静载试验及针对结构病害的专项测试，对桥梁结构的工作状态和承载能力进行综合评估;最后根据计算及实测结果对该桥提出相应的管养建议。此方法可为同类桥梁的安全评估提供借鉴。

预应力混凝土连续箱梁 安全评估 加宽改造

1 工程概况

广佛高速公路全程为全封闭互通立交，原设计为双向四车道，设计时速为120 km/h，桥梁设计荷载等级为汽—超20，挂—120，于1996年12月投入通车。随着交通量的不断增加，于2009年起对K0～K46段进行了加宽改造，加宽为双向八车道，加宽改造后桥梁设计荷载等级为公路Ⅰ级。

谢边立交跨线桥位于该加宽区段，该桥主桥为(50+100+160+160+100+50)m变截面预应力混凝土连续箱梁，采用悬拼施工，箱梁节段之间拼接缝采用环氧水泥进行粘结，部分节段为现浇的湿接缝。该桥采用三向预应力体系，纵向及横向预应力束采用高强度钢绞线，竖向预应力束采用直径32 mm的精轧螺纹钢筋。桥型及跨径布置如图1所示。该桥采用的加宽改造方式为利用既有四车道桥梁改为单向通行，在桥址附近新建四车道桥梁作为另一方向通行。该桥在加宽改造之前的主要结构性病害是在20#，21#，25#，26#墩顶附近梁体腹板处存在斜向开裂，裂缝大致呈45°方向，裂缝宽度介于0.08～0.20 mm之间。

图1 桥型及跨径布置示意(单位:m)

2 结构承载能力检算

根据相关的新旧规范［1-4］，分别对既有桥梁进行结构承载能力检算。采用桥梁博士软件，将全桥共分为224个单元，225个结点，模拟施工过程建立了27个施工步骤。

1)按85规范检算，结构各项指标满足规范要求。

2)按2004规范检算结果如下:

①抗弯承载能力极限状态满足规范要求;抗剪承载能力极限状态检算显示墩顶附近和L/4附近截面不能满足规范要求。

②在短期效应组合下，除20#墩顶及26#墩顶梁体上缘拉应力较大(分别为3.58 MP和3.12 MPa)，不满足2004规范要求外，其它部位梁体混凝土法向拉应力均满足2004规范要求;在短期效应组合下，除20#，21#，25#和26#墩顶附近梁体出现主拉应力偏大外(3.16 MPa)，其它部位均满足2004规范。

③在标准组合下，梁体最大主压应力为22.89 MPa，不满足2004规范要求。

④长期效应组合下，梁体各截面边缘混凝土法向拉应力满足2004规范要求;标准组合下，梁体上缘最大压应力为20.49 MPa，下缘最大压应力为15.71 MPa，均不满足2004规范要求。

检算结果显示，2004规范下墩顶位置及L/4附近截面抗剪承载力不满足要求，边墩、次边墩墩顶附近截面主拉应力不满足规范要求，这与该桥墩顶附近腹板斜裂缝位置有对应关系。

3 桥梁静载试验

根据连续梁桥受力特点，选择结构主要控制截面进行静载试验，同时针对结构病害进行专项测试，了解测试截面在试验荷载下的应变分布及变形，评定结构的工作状态和承载能力。对于该桥承载能力主要测试截面有:次边跨最大正弯矩截面(A截面)、墩顶最大负弯矩截面(B截面)、中跨最大正弯矩截面(C，D截面，其中D截面作为C截面的对比截面只测试挠度);针对病害专项测试主要为斜裂缝专项测试(E，F截面)。测试截面分布如图2所示。

图2 测试截面分布(单位:m)

该桥原设计荷载为汽—超20、挂—120，改扩建桥设计荷载为公路Ⅰ级，因此，本次荷载试验将对两种荷载等级同时计算，以设计荷载较大者为试验控制值，试验过程中加载分级将加密以确保试验过程中结构的安全。各测试截面最大级试验荷载加载效率见表1。

表1 各测试截面加载效率一览表

3.1 承载能力测试结果

3.1.1 挠度测试结果

挠度测试分别针对A，C，D截面进行，从实测数据来看，各测点的卸载残余挠度较小，相对残余均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》［5］的要求(＜20%)，说明结构在试验荷载作用下整体处于弹性工作状态。表2中给出了最大级荷载作用下A，C，D截面挠度测试结果。

由表2中数据可知，A，C，D截面实测结果均满足《评定规程》中校验系数ζ≤1，挠跨比＜1/600的要求，即结构刚度满足规范要求。此外，C，D截面实测挠度值较为接近，说明结构的对称性较好。

表2 最大级荷载作用下A，C，D截面挠度测试结果

3.1.2 应力测试结果

从各测试截面实测应变可知，各测点的卸载残余应变均较小，除绝对值较小点外，其余各测点相对残余均满足试验规范的要求(＜20%)，说明截面变形处于弹性状态。表3中给出了最大级荷载作用下A，B，C截面应变测试结果，图3、图4为A，C截面实测应变沿截面高度分布。

表3 最大级荷载作用下A，B，C截面应变测试结果

图3 A截面实测应变沿截面高度分布

从表3及图3、图4可知:

①A～C截面，内外侧腹板实测应变沿截面高度呈较好的线性分布关系，说明截面变形基本符合平截面假定;两侧腹板中性轴的实测平均高度均高于理论值，说明桥面铺装和防撞墙等参与了结构受力。

②最大级试验荷载作用下应变校验系数满足《评定规程》中校验系数ζ≤1的要求。

③各级试验荷载作用下，截面受拉缘测点应变分布均匀，没有畸变和退化现象，说明结构抗裂性满足要求。

综上所述，A～C截面在试验荷载作用下，受力状态正常。

3.2 斜裂缝专项测试结果

E，F截面为斜裂缝截面，截面测点跨斜裂缝布置，测点布置如图5所示。

由斜裂缝的实测应变可知，各测点的卸载残余应变较小，相对残余均满足试验规范要求(＜20%)，这说明卸载后裂缝宽度基本能够恢复到原状态;实测结果表明，在试验荷载作用下，E截面斜向裂缝的最大扩展为100×10－6×150 mm=0.015 mm(E6测点);F截面两条斜向裂缝的最大扩展分别为99×10－6×150 mm= 0.015 mm(F6测点)、106×10－6×150 mm=0.016 mm (F1测点)，裂缝扩展量不大，但呈现出裂缝尖端的实测应变数值相对较大的规律，这说明在荷载作用下裂缝处于活跃状态，裂缝存在进一步发展的趋势。

图4 C截面实测应变沿截面高度分布

图5 斜裂缝专项测试测点布置

4 结论

1)结构承载能力检算结果显示，2004规范下墩顶位置及L/4附近截面抗剪承载力不能满足要求，边墩、次边墩墩顶附近截面主拉应力不能满足规范要求，这与该桥斜裂缝位置有一定对应关系。

2)荷载试验结果表明，该桥梁体受力基本能够满足公路Ⅰ级荷载的正常使用要求。

3)荷载试验对斜裂缝测试结果显示，跨裂缝测点应变值不大，且从近几年的检测报告分析，裂缝状态稳定，未继续发展，说明结构在目前的运营荷载下状态基本稳定。但值得注意的是，运营荷载的增大及超载车的作用可能会引起斜裂缝的发展，导致预应力损失和梁体下挠等病害出现，故建议对该类裂缝予以密切关注，若发现裂缝发展应及时进行加固处理。

4)本次未对下部结构进行检测，考虑到该桥墩柱高度较大，建议对水中桩基加强定期检测工作。

［1］中华人民共和国交通部.JTJ 021—89公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，1989.

［2］中华人民共和国交通部.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］中华人民共和国交通部.JTJ 023—85公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，1989.

［4］中华人民共和国交通部.JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］中华人民共和国交通部.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.

(责任审编周彦彦)

U448.21+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.07

1003-1995(2015)06-0024-03

2014-12-15;

2015-02-03

陈韵(1971—)，女，广东化州人，技术员。