装配式预应力砼箱梁桥病害分析与加固研究∗

牟友兵，郑西璐，黄海珊，王达

（1.四川公路桥梁建设集团有限公司，四川成都 610071；2.陕西西禹高速公路有限公司，陕西西安 710054；3.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）



装配式预应力砼箱梁桥病害分析与加固研究∗

牟友兵1，郑西璐2，黄海珊3，王达3

（1.四川公路桥梁建设集团有限公司，四川成都 610071；2.陕西西禹高速公路有限公司，陕西西安 710054；3.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

摘要：随着交通量及车辆荷载等级的增加，加上营运环境的变化及结构本身的自然老化和退化等影响，装配式预应力砼箱梁桥普遍出现腹板裂缝、底板纵缝等病害。文中从截面尺寸、材料性能和支撑形式等参数入手，对箱梁裂缝病害类型及产生原因进行分析，并采取主动加固和被动加固相结合的综合加固法进行处治。

关键词：桥梁；预应力砼箱梁桥；病害成因；加固方法；应力；挠度

装配式预应力砼箱梁由于具有施工安全性高、整体性好、质量易控、工期短、造价低等良好的社会经济效益，从20个世纪80年代末开始就被广泛运用于桥梁建设中。目前，在国内外高速公路建设中，其已成为绝大部分桥梁结构的首选。迄今为止，中国修建的装配式预应力砼箱梁桥已达万座。

对于早期修建的桥梁，因其施工建造技术水平相对落后，运营期的养护管理不到位，加之近年交通量激增、车辆荷载的增加及结构本身的自然老化等众多因素的不断相互作用，多数出现不同程度的损伤和病害。针对以上不利因素，业内已开始对各种病害开展分析及加固，并取得了一系列研究成果。而针对装配式预应力砼箱梁病害及加固的系统性研究并不多见。鉴于此，该文根据实际工程，对该类型桥梁的病害及加固措施进行分析研究，提出合理的加固方法。

1　箱梁桥病害及成因分析

对于装配式预应力砼箱梁桥，砼裂缝是“常发病”和“多发病”。根据产生裂缝的部位和外观不同，对其主要病害进行分类（见表1）。其中：腹板斜裂缝大致分布于1/8跨和3/4跨之间，且沿跨中左、右两侧对称分布，和水平面的夹角为15°～50°；底板横向裂缝大致分布于跨中或1/4跨区域，沿着截面横向不断延伸；砼翼板底部在负弯矩较集中的墩顶到1/3跨区域极易产生横向裂缝；在跨中翼板底面也存在部分裂缝，且多集中分布于支点截面附近，沿横向延伸，大致与箱梁中心线垂直。

表1　装配式预应力砼箱梁常见病害及产生原因

如表2所示，由于设计理念差异及不同荷载等级，不同时期20 m箱梁结构尺寸及钢筋配束存在较大差异。为确定已建桥梁病害的产生原因，需深入分析桥梁所用标准图所处的时期，弄清楚其设计方法及设计思路。伴随交通事业的不断发展，交通量激增，加上车辆超限超载和外界条件的变化及后期维护管理不善，在早期标准图基础上建造的先简支后连续预应力砼组合箱梁均不同程度地产生病害。因工期、施工质量等原因，近期新建的先简支后连续预应力砼组合箱梁桥也经常出现各类问题，个别桥梁在尚未通车时即出现严重病害，影响整体工程进展。

表2　不同阶段20 m箱梁标准图结构尺寸对比

2　梁桥加固方法

有关研究表明，早期修建的装配式预应力砼箱梁桥普遍存在主梁刚度不足，腹板、底板出现大量裂缝等严重影响桥梁结构安全的病害，需对结构采取合理的加固措施，抑制病害的继续发展，提高原结构的承载能力。

桥梁结构因其自重过大，需采用带载加固。在承担荷载的分配上，原梁承受因原结构自重等先期恒载引起的内力，活载（汽车、风）等后期荷载则由加固后的组合截面承担，加固设计计算需计入分阶段受力等影响。这是桥梁加固设计异于一般结构设计的主要特点。

加固病害构件的方法很多，根据工作性质，可分为直接加筋类被动加固和施加预应力的主动加固。目前所采用的被动加固方法无论在工艺还是技术上均已成熟。为了实现加固材料的主动受力，充分发挥加固材料的受力性能，宜将被动加固转化为主动加固，对后加补强材料施加预应力，将其转化成预应力加固体系，利用预应力的主动受力，从根本上解决后加补强材料的应变（应力）滞后，增强后加补强材料的利用效益，以极少的消耗达到最佳加固效果。

3　工程实例应用研究

3.1工程概况

某高速公路上一座穿越城区的高架桥，上部结构为二联8×20 m预应力砼连续箱梁+（21.78+ 32+21.78）m钢筋砼连续刚架+三联8×20 m连续箱梁+一联9×20 m连续箱梁+（21.78+32+ 21.78）m钢筋砼连续刚架+二联9×20 m连续箱梁，下部结构为柱式墩、埋置式桥台和钻孔灌注桩基础。该桥至今已运营13年。

经检测评定，该桥技术状况评定等级为四类。为确保桥梁的运营安全，延长桥梁使用寿命，对该桥进行全面维修加固。

3.2病害现象及原因

根据检测和荷载试验结果，该桥运营过程中主要受荷构件出现显著缺陷，主要表现在：桥面在墩顶部位出现横向裂缝，翼板在墩顶部位出现开裂；各工况下墩顶截面主要测点的应变测值偏小，明显低于其他控制截面，而这些是墩顶负弯矩连接失效的特征表现。在左幅1#、23#、70#墩顶处桥面铺装层横向开裂部位进行取芯检测，结果表明：墩顶部位沥青砼铺装层和水泥砼铺装层完全开裂；梁端接头处上部出现明显开裂，缝宽大于0.30 mm（见图1）。

图1　沥青砼铺装层完全开裂

墩顶部位的连接处部分失效，使主梁不能按原设计的连续梁模式传递弯矩，桥梁受力模式发生变化，这是该桥病害产生的主要原因。在该受力模式下，桥梁边跨、中跨实际弯矩均比原设计预期有所增大，导致主梁产生显著的受力裂缝。由于经常性地超载运营，桥梁裂缝发展迅速。

复查原结构图纸，发现原结构墩顶连续位置纵向两片箱梁配筋率不足，无法真正达到完整“连续梁”的受力模式，且该桥中、边跨箱梁的一般构造及配筋完全一样，这是该桥边跨箱梁病害较为严重的一个重要原因。对比各阶段箱梁标准图，连续端应为全断面连续，但该桥仅有部分端头的连续端位置连接较好，其他位置均未连接（见图2）。

图2　墩顶位置连续端构造

3.3加固方法及效果分析

在相同荷载组合作用下对该桥原连续结构和退化为简支梁后结构的弯矩进行计算，得到弯矩包络图（见图3、图4）。

图3　连续梁弯矩包络图（单位：k N·m）

图4　简支梁弯矩包络图（单位：k N·m）

根据该桥主要病害特征，加固设计的主要目的是恢复该桥连续端墩顶的“连续状态”，使加固后的桥梁受力模式尽可能接近于原设计连续梁受力模式，尤其是减小边跨的内力分配，从而提高其安全储备，使其处于安全运营状态。

图5　预制箱梁梁底粘贴纤维材料与张拉体外预应力加固

图6　预制箱梁梁底粘贴碳纤维板和芳纶纤维板施工

加固后承载能力极限状态抗弯验算、正常使用极限状态应力验算结果见表3、表4。

图7　预制箱梁腹板粘贴纤维材料与张拉体外预应力加固

通过加固前后荷载试验数据对比，加固后桥梁主梁承载力及整体刚度得到一定程度提高，主梁在荷载作用下无明显开裂，加固效果明显。

表3　加固后承载能力极限状态抗弯验算结果

表4　加固后正常使用极限状态应力验算结果

4　结语

该文通过工程实例，对装配式预应力砼箱梁桥的病害类型及产生原因进行分析，采用主动加固与被动加固技术相结合的处治方案进行加固。加固前后结构荷载试验结果表明，该加固方式的效果明显，桥梁承载力得到显著提高，可为装配式预应力砼箱梁桥的维修加固提供借鉴。

参考文献：

［1］ 陈兆毅.某预制小箱梁桥的病害分析与加固研究［D］.大连：大连理工大学，2008.

［2］ 张舍.浅谈公路桥梁病害的起因、检测与加固［J］.安徽建筑工业学院学报，2005，13（1）.

［3］ 詹建辉，陈卉.特大跨度连续刚构主梁下挠及箱梁裂缝成因分析［J］.中外公路，2005，25（1）.

［4］ 王宏民.既有钢筋砼简支箱梁桥加固方案比选［J］.公路与汽运，2014（6）.

［5］ 郝宪武.装配式箱梁桥整体化层作用机理及其设计加固方法［D］.西安：长安大学，2012.

［6］ 龚世康.简支连续小箱梁桥施工质量控制与影响因素分析［D］.杭州：浙江大学，2007.

［7］ 楼庄鸿.论预应力混凝土梁桥的裂缝［J］.公路交通科技，2000，17（6）.

［8］ 肖玉辉，沈立宏.混凝土桥梁病害成因分析及对策研究［J］.中外公路，2004，24（1）.

［9］ 梁晓翀，向磊.某组合梁桥的病害分析及加固设计研究［J］.公路与汽运，2009（4）.

［10］ 张建军.预应力混凝土连续箱梁桥腹板裂缝分析［D］.广州：华南理工大学，2012.

［11］ 王均利.曲线箱梁桥的病害及设计对策［J］.中外公路，2005，25（4）.

加固方法：铣刨原桥面铺装层，在梁板底板和腹板设置体外预应力，控制张拉，粘贴碳纤维板（芳纶纤维板），采用无连接钢绞线通过植筋与主梁连接；铺装层设双层钢筋网，重新铺筑15 cm C40防水砼整体铺装层，提高桥梁抗弯刚度和承载能力（计算梁高为110 cm）；在墩顶增加一定数量纵向加强钢筋，提高墩顶截面的截面抗力，同时在边跨梁底粘贴碳纤维板，提高其承载能力（见图5～7）。通过加固，达到封闭结构现有裂缝、增加主梁安全储备的目的。

中图分类号：U445.7

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0218-04

基金项目：∗国家自然科学基金资助项目（51308071，51378081）；湖南省自然科学基金项目（13JJ4057）；交通运输部应用基础研究项目（2015319825120）

收稿日期：2016-02-31