预应力混凝土小箱梁跨中裂缝成因分析与加固方案比选

薛达，王石磊，冯海龙

（1.广州交投城市道路建设有限公司，广东广州510000；2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081）

预应力混凝土小箱梁跨中裂缝成因分析与加固方案比选

薛达1，王石磊2，冯海龙2

（1.广州交投城市道路建设有限公司，广东广州510000；2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081）

预应力混凝土小箱梁由于其构造简单、施工方便等特点被广泛应用到公路工程中。某高速公路桥梁定期检查时发现，预应力混凝土小箱梁普遍存在边梁跨中腹板斜向开裂现象。本文对病害成因进行分析，并提出粘贴钢板、体内预应力加固和体外预应力加固3种加固方案，通过加固前后荷载试验对各方案的加固效果进行了评估。

预应力混凝土小箱梁；腹板斜向开裂；加固方案；效果评估

1　桥梁概况

某高速公路大桥上部结构采用17×25m简支后张法预应力混凝土小箱梁，横向布置15片梁。梁高1.05m，中梁宽1.49m，边梁宽1.495m，顶部设10cm厚现浇混凝土整体化层。桥面为双向8车道，铺设8cm厚沥青混凝土铺装层。每跨跨中防撞墙设置2cm宽的锯缝。该桥按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 023—1985）设计，设计荷载为汽-超20、挂-120，于2002年建成。梁体一般构造见图1。

图1　梁体一般构造（单位：cm）

定期检查时发现该桥内外侧边梁跨中腹板存在斜向开裂现象（见图2），部分裂缝已延伸至倒角或梁体底板，部分梁体底板横向裂缝甚至与两侧腹板贯通，呈U形，裂缝最大宽度0.41mm，危及桥梁运营安全。

图2　边梁跨中腹板斜向开裂

2　病害成因分析

利用有限元软件MIDAS Civil/2015对该桥原设计状态进行结构验算，在正常使用极限状态下，边梁及次边梁的上下缘法向应力计算结果见表1。可见边梁与次边梁的受力状态均满足JTG 023—1985要求，但安全储备不大。

表1　正常使用极限状态下法向应力计算结果（1.0倍设计活载参与作用）MPa

结构病害的出现主要有如下原因：

1）超载作用。结合该高速公路超载现状，考虑1.3倍的活载超载系数，利用MIDAS Civil/2015对该桥原设计状态进行结构验算，验算结果见表2。可见，原设计状态在考虑超载车工况的情况下，梁体下缘拉应力超限，导致梁底横向开裂、腹板竖向开裂。

2）小箱梁跨中防撞墙锯缝设置不合理。文献［1］表明，防撞墙与小箱梁截面积相差不大时，防撞墙与梁体共同受力，并在一定程度改变梁体的受力特性。防撞墙在跨中设置锯缝后，边梁截面特性发生突变。一旦荷载超过梁体承载力，裂缝将向这一薄弱截面发展，从而导致边梁腹板斜向开裂。

表2　正常使用极限状态下法向应力计算结果（1.3倍设计活载参与作用）MPa

3　加固方案

由于小箱梁防撞墙锯缝设置不合理，加固时凿除跨中两侧各0.5 m范围内的防撞墙并重新施作，在取消防撞墙中央锯缝的基础上提出3种加固方案。

1）粘贴钢板加固。对底板出现横向开裂的混凝土小箱梁粘贴纵向钢板，对跨中区域出现斜向开裂的腹板粘贴U形钢板，以限制裂缝的发展并适当提高结构安全储备，最终使上部结构的受力性能达到B类构件的设计要求。

2）体内预应力加固。在小箱梁腹板外侧加大截面，埋设预应力索，待加大截面混凝土达到强度后，张拉预应力，增加梁体下缘压应力储备，最终使梁体的受力性能达到设计要求。

3）体外预应力加固。在小箱梁的端部和四分点处设置锚固块和转向块并穿设成品钢绞线，待锚固块和转向块达到设计强度后张拉体外预应力，增加梁体下缘压应力储备，最终使梁体的受力性能达到设计要求。

4　加固方案比选

通过试验跨加固前后荷载试验，对3种加固方案的实际加固效果进行评估。荷载试验部分测点布置见图3。

图3　跨中测点布置（单位：cm）

1）受力情况。试验跨加固前后1#～3#梁跨中截面最大级荷载下梁体底缘平均应变对比见表3。

表3　最大级荷载下梁体底缘平均应变对比×10-6

由表3可知：在最大级荷载下，加固后试验跨1#～3#梁跨中截面底缘实测应变幅值接近，3种加固方案均可对原结构受力起到改善效果；3种加固方案跨中截面底缘平均实测应变幅值分别降低66%，63%，15%。

2）预应力度。试验跨3#梁底缘测点3-1～3-3加固前后实测应变与荷载效率关系曲线见图4。从图4可知：加固前随着荷载效率的增加，实测应变值呈非线性快速增长，部分测点存在退化现象，说明梁体预应力度不足导致梁体开裂，且在第一级荷载作用下，梁体已经开裂。

图4　加固前后梁体底缘应变与荷载效率关系曲线

加固后上述试验跨应变幅值均显著下降，但粘贴钢板后梁底实测应变与荷载效率的线性关系仍不佳，该方案不能改善原结构的预应力度；张拉体内预应力后，梁底实测应变与荷载效率的线性关系良好，可以有效改善原结构的预应力度；张拉体外预应力后，梁底实测应变与荷载效率的线性关系仍不佳，但梁体开裂时机明显后移，可以对原结构预应力度不足现象起到一定的改善作用。

3）梁体刚度。试验跨加固前后1#～3#梁跨中实测挠度对比见表4。从表4可知：在最大级荷载下加固后试验跨1#～3#梁跨中截面实测挠度接近，3种加固方案均可对原结构刚度起到提升效果；3种加固方案跨中截面平均实测挠度分别降低32%，32%，7%。

表4　加固前后梁体跨中实测挠度mm

4）施工便捷性。3个加固方案中，粘贴钢板最为便捷，其次是体外预应力，最后是体内预应力。

综上分析，采取粘贴钢板方案对梁体进行加固。

5　结论

1）设计时应充分考虑超载作用及防撞墙锯缝位置对小箱梁受力的影响。

2）粘贴钢板、体内预应力加固及体外预应力加固3种加固方案均可改善梁体受力状况，采用粘贴钢板方案对梁体进行加固更为合适。

［1］严国兵，高岩.预制小箱梁受力性能评估及特殊病害成因分析［J］.铁道建筑，2013（8）：1-5.

［2］冯海龙，高岩，胡强.预应力混凝土连续箱梁病害评估及成因分析［J］.铁道建筑，2015（11）：21-23.

［3］陈韵，刘伯奇.预应力混凝土连续箱梁加宽改造后安全评估［J］.铁道建筑，2015（6）：24-26.

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

［5］中华人民共和国交通部.JTG 023—1985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，1985.

［6］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.

［7］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.

（责任审编李付军）

Causes Analysis of Crack in Mid-span of Prestressed Concrete Small Box-girder and Selection of Reinforcement Schemes

XUE Da1，WANG Shilei2，FONG Hailong2
（1.Guangzhou City Road Construction Co.，Ltd.，Guangzhou Communication Investment Group，Guangzhou Guangdong 510000，China；2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Small prestressed concrete small box-girders are widely used in highway due to their simple structure and convenient construction.During a regular inspection of a highway bridge，diagonal web cracks at midspans of the side girders were inspected and regarded as a common disease.In this paper，the cracking causes were analyzed.T hree reinforcement schemes were proposed：reinforcement with steel plates，extra prestress and external prestress.T he reinforcement effect was assessed through experimental tests.

Prestressed concrete small box-girder；Diagonal web crack；Reinforcement scheme；Effect assessment

U445.7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.03

1003-1995（2016）10-0010-03

2016-05-13；

2016-06-22

薛达（1987—），男，助理工程师，硕士。