预应力混凝土连续箱梁桥维修加固与监控

程 辉，周新亚，龚永红，周 浩

（1.中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034；2.中铁四局集团有限公司,安徽 合肥 230023；3.中铁四局集团第二工程公司，江苏 苏州215131）

1 工程概况

预应力混凝土连续箱梁桥由于具有刚度大、整体性好、施工简便快捷、相对造价低等优点，在工程中得到广泛应用，尤其应用于跨度小于50 m的中、小跨度桥梁。普通桥梁高跨比一般为1∶15，预应力桥梁可减小至1∶20甚至更低，在一定程度上降低了连续梁桥的工程造价，使桥梁朝着更纤细的方向发展，保持了桥梁的美观。然而，随着经济的发展，部分地区交通流量超过设计预期，且车辆超载、超限现象普遍，加上桥梁受温度变化、混凝土收缩徐变、支座不均匀沉降、预应力损失和施工措施不当等因素的影响，致使部分桥梁出现裂缝或线形下挠等病害，结构安全储备降低，影响了桥梁承载能力和使用寿命，使桥梁出现重大的安全隐患［1-3］。

某高速公路立交枢纽工程跨度为（38+2×50+38）m，设计荷载等级为汽-超20，挂-120。箱梁结构为单箱双室 （见图1），底板宽7.6 m，顶板宽11.8 m，两侧翼缘悬臂长2.1 m，梁高2.5 m，顶板厚20 cm，底板厚20~60 cm，腹板厚 40~55 cm。经过多年的运营，该桥病害非常严重，梁体裂缝不断发展及新增，梁体的受力状况不断恶化。主要病害如下：（1）该桥箱梁跨中区段底板存在横桥向裂缝193 条，分布在各跨跨中，大部分裂缝延伸至底板，并沿着底板发展至翼缘呈U 形裂缝，裂缝宽度0.25~0.38 mm，裂缝长度为11.6m；（2）纵向裂缝68条，分布在第4跨底板边缘，最长30.5 m，裂缝宽度0.2 mm；（3）腹板存在竖向裂缝149条，大部分位于底板向上延伸的裂缝，沿桥跨方向无规律分布，裂缝最长11.6 m，宽度为0.15~0.5 mm，箱室内部跨中附近，边腹板和中腹板内侧有大量竖向及斜向裂缝，裂缝宽度最大为0.3 mm；（4）部分预应力管道未灌浆。

图1 桥梁体外预应力束布置图（单位：cm）

2 加固方案

对病害原因进行分析认为预应力损失是桥梁病害发生的主要原因。加固方案主要从既有病害处理、增加预应力束等方面进行处理，主要加固方案如下：

（1）对箱梁各跨存在的裂缝、混凝土破损、空洞、钢筋外露锈蚀、大面积修补、预应力管道未注浆等病害按常规措施进行处理。

（2）在箱梁端横梁、顶板相应位置开槽、植筋、浇筑锚固块，在底板相应位置开孔并安装转向装置，在底板下缘布设8 束15Φs15.2 的体外预应力钢束加固，见图2、3。在箱梁底板纵向粘贴30 cm 宽、8 mm厚钢板条加固。

（3）在箱梁腹板外植筋加厚腹板，端部锚固区域加厚50 cm，跨中加厚20 cm，并在腹板加厚层内增设4 束15Φs15.2 钢束。

（4）凿除原桥面铺装，在箱梁顶种植剪力钢筋，重新浇筑桥面补强层和3 cm 厚SMA-10薄层沥青混凝土。

图2 支座断面预应力束布置图（单位：cm）

图3 端部断面预应力束布置图（单位：cm）

3 加固监测重难点分析

本桥加固过程中牵涉到桥梁上部结构箱梁及桥面的重大改造及维修，为使加固结果能达到设计成桥状态，并保证在加固过程中的桥梁安全，避免加固过程中出现二次病害，在加固实施过程中对桥梁进行加固监测，加固监测采用连续化监测策略，加固过程中的监测重难点如下：

（1）新旧混凝土协同工作监测：由于施工中混凝土存在新旧混凝土加载龄期差异大，材料收缩、徐变对结构内力、变形有较大的影响，需要对新旧混凝土的协调共同工作进行监测。

（2）应力与挠度监测。体外预应力张拉过程中对箱梁主要断面应力及挠度进行监测。

（3）裂缝宽度监测。加固过程中，既有裂缝宽度扩展及深度扩展是本项目的控制性指标，保证在加固过程中既有病害不扩展，并尽量保证不产生新的病害。

4 加固过程监测

4.1 测点布置

桥梁应力及挠度监控是预应力混凝土连续箱梁加固过程2个重要监测指标，图4为箱梁挠度应力监测测点断面布置图。挠度测点布置在桥面混凝土护栏内侧，应力测点主要布置在箱梁底板及箱梁内顶板，并将挠度及应力测点布置在同一断面。

图4 监测测点布置图（单位：cm）

4.2 应力监测与分析

加固方案（1）、（2）流程中应力变化小，（3）、（4）流程中应力变化客观。预应力张拉过程中，边跨跨中底板应力值见图5，中跨跨中顶、底板应力值见图6。图5显示在预应力束张拉过程中，第1、4跨实测的压应力为5.6 MPa、6.3 MPa，较理论值7.5 MPa小，接近达到张拉效果；图6显示在预应力张拉过程中，中跨顶部实测应力值分别为-0.73 MPa、-1.6 MPa，顶板压应力理论值为-1.37 MPa，底板实测应力值分别为-4.9 MPa、-4.12 MPa，底板理论值为-3.56 MPa，达到张拉效果。

本桥二恒施工采用逐跨浇筑混凝土的方案，浇筑顺序为从第1跨至第4跨，浇筑速度为10 m/h，每跨浇筑时间分别为3.8 h、5 h、5 h、3.8 h，而混凝土初凝时间大约为6 h，当桥面铺装层施工至第4跨时，第1、2跨桥面铺装层混凝土完成初凝，桥面铺装层与箱梁形成整体刚度，共同受力。因此桥面二恒既是荷载，也是桥梁结构刚度。

桥面二恒施工过程中理论与实测应力值见表1，其中理论分析将二恒视作荷载，不考虑其对桥梁刚度的贡献，中跨及边跨顶底板理论应力值分别相等。而表1显示桥面二恒施工过程中，第1跨底板拉应力为1.05 MPa，第4跨底板拉应力为0.77 MPa，说明在第4跨二恒施工过程中，第1、2、3跨桥面二恒与箱梁形成整体刚度，使第4跨底板拉应力减小。

综合整体应力监测结果，中跨跨中底板最终新增压应力储备为3.3 MPa，边跨底板最终新增压应力储备为4.05 MPa。

图5 预应力张拉过程中边跨应力图

图6 预应力张拉过程中主跨应力图

表1 桥面二恒施工应力表

4.3 挠度监测及分析

预应力张拉过程中桥梁挠度图见图7，其中N1、N2预应力束同步张拉，N3~N7预应力束同步张拉。图7显示N1、N2预应力束同步张拉过程中，第1、4跨跨中挠度实测分别为5.7 mm、3.1 mm，理论值为3.6 mm；第2、3跨跨中挠度实测值为3.9 mm、6.1 mm，理论值分别为2.9 mm；预应力束N3~N7同步张拉过程中，第1、4跨跨中挠度实测分别为5.7 mm、3.1 mm，理论值为5.6 mm；第2、3跨跨中挠度实测值为6.1 mm、6.1 mm，理论值为3.5 mm。

桥面二恒施工过程中的桥梁挠度见表2。表2显示桥面二恒施工过程中，第1跨跨中左右两侧分别下挠1.7 mm、1.9 mm，第2跨跨中下挠大约8.9 mm，第3跨跨中下挠大约8.1mm，第4跨跨中下挠大约1.3 mm。监测结果最终显示中跨跨中线形上拱约4 mm。

图7 N1-N7体外束预应力张拉挠度图

表2 桥面二恒施工过程挠度表

4.4 裂缝监测

体外索张拉过程中，裂缝监测显示既有裂缝宽度明显减小，对桥梁性能改善明显，梁体刚度得到提高。

5 荷载试验

加固前、后均对桥梁进行了静力试验，试验结果见表3。表3显示加固前第1跨跨中的挠度校验系系数最大达到1.48，加固后减小为0.95，在规范值允许范围内，残余率为0.1；加固前第1跨跨中的应力校验系数大于0.9，加固后为0.95，在规范值允许范围内。加固前第2跨跨中的挠度校验系数最大为1.48，加固后为0.95，在规范值允许范围内，残余率为0.1；加固前第2跨跨中的应力校验系数最大为4.2，加固后为0.95，在规范值允许范围内。

静力试验显示，加固后桥梁刚度及强度均满足桥梁规范要求。

表3 荷载试验结论表

6 结论

通过桥梁加固中的连续监测及分析，总结如下：

（1）体外预应力束提高了箱梁关键部位的压应力储备，对后续桥梁运营安全有利；

（2）体外预应力束能有效地抑制桥梁裂缝扩展，使结构原有裂缝闭合，可有效提供桥梁刚度及承载能力；

（3）通过体外预应力张拉过程中实测数据与理论数据的对分析，体外束张拉后各项性能指标达到维修加固设计要求。

（4）连续箱梁桥通过施加体外预应力，并结合维修补强措施，恢复了原设计正常使用承载能力，通过对通车运营后桥梁的观测，桥梁未出现新的病害，原有裂缝也未见扩展，达到了桥梁加固的目的。

［1］丁峰，巍华，徐栋，等.体外预应力砼桥梁锚固结构分析及配筋研究［J］.现代交通技术，2005，2（1）：36-41.

［2］程辉.轨道交通桥梁运营期桥面线形监测数据分析研究［J］.桥梁建设，2011，8（6）：32-37.

［3］徐泽敏.预应力混凝土连续箱梁的加固设计与施工监测［J］.现代交通技术，2015，12（1）：36-41.