某异形连续箱梁桥静力性能及维修加固设计研究

(江华瑶族自治县交通运输局， 湖南 永州 425599)

1 工程概述

某桥第13跨和第14跨为两孔一联异型预应力混凝土连续箱梁，桥面宽度：13.335～8.5 m。梁高2 m，单孔跨径35 m，顶面宽度 12.88～8.2 m，底宽 8.26～3.58 m，其中WS13#墩位置处箱梁顶面宽度为 9.2 m，箱梁底面宽度为3.58 m。两侧端横梁宽1.2 m，中横梁宽2 m。基础及下部均为双桩+单承台+单花瓶墩结构。设计荷载为城市-A级，人群荷载按城市桥梁规范计算取值，设计速度为40 km/h。

通车运营后，由于交通量及重载交通不断增大，桥梁结构出现严重开裂等诸多病害[1]，影响其结构耐久性和安全性。为此，对该桥进行了病害调查及静力荷载试验，以全面检测桥梁的病害及受力性能，并为加固设计提供依据。桥跨分布简图见图1。

图1 桥跨分布及测试截面示意图(单位： cm)

2 外观检测情况[2]

对该桥进行了外观检查，发现WS13#墩横梁两侧、内箱斜腹板和中腹板与横梁交接位置处皆存在裂缝现象，最大缝宽约2 mm，距底板顶面30 cm位置处一直到顶板底，约1 m左右。WS13#墩柱两侧外立面腹板裂缝南北两侧共6道，其中南侧2道、北侧4道，长度约1.4 m左右，最大缝宽约3 mm。WS13#墩柱中腹板同样存在裂缝，裂缝分布在腹板与横梁交界处，裂缝形式与腹板相同。第13跨与第14跨跨中底板同样发现裂缝，裂缝相关分布见图2。顶板未发现裂缝。

图2 第13跨、第14跨跨中底板裂缝分布简图

3 静力荷载试验

3.1 理论分析模型

试验对象为第13跨和第14跨异形连续箱梁，该联桥现浇箱梁计算跨径为(34.4+34.4)m，采用实用精细化分析方法，运用专业结构计算软件Midas Civil[3]建立折面空间梁格模型，纵向梁格单元划分为左边箱、中箱、右边箱，横向刚度用截面有效厚度虚拟梁模拟，有限元模型见图3。其他参数参考设计图纸及现行规范。

图3 结构折面空间梁格模型离散图

3.2 试验工况及测试截面

该联桥结构形式为现浇连续箱梁，依据现行规范，结合连续箱梁的受力和变形特点，选取第13跨跨中截面、第13跨WS13#墩墩顶附近截面、第14跨跨中截面及第14跨WS13#墩墩顶附近截面作为该联桥的主要控制截面。箱梁测试截面示意图见图1，静载试验工况、测试截面和测试项目见表1。

3.3 试验结果

3.3.1应变试验结果

由表2可知，应变校验系数最大为0.904，相对残余应变最大为15.8%，检验系数和残余应变均满足规范要求，但结构安全储备系数较低。

3.3.2挠度试验结果

由表3可知，工况I荷载作用下第13跨跨中截面主梁挠度校验系数大于1.0，表明结构的整体刚度低于设计值；工况II荷载作用下第14跨跨中截面主梁挠度校验系数小于1.0，但校验系数接近1.0，结构安全储备系数较低。

表1 静载试验工况及测试截面工况号试验工况测试截面测试内容I第13跨L/2截面最大正弯矩(正载)A-A应变、挠度及裂缝测量II第14跨L/2截面最大正弯矩(正载)D-D应变、挠度及裂缝测量III第13跨WS13#墩支点附近截面最大剪力(正载)B-B应变及裂缝测量IV第14跨WS13#墩支点附近截面最大剪力(正载)C-C应变及裂缝测量VWS13#墩支点截面最大负弯矩(正载)B-B、C-C应变测量、裂缝测量

表2 主要测点混凝土应变分析表工况实测最大应变校验系数相对残余应变/%I66με0.9045.7II84με0.8088.7III17με0.85015.0IV16με0.76215.8V46με0.8859.8

表3 主要测点挠度分析表工况实测最大挠度/mm校验系数相对残余应变/%I-7.561.0753.2II-11.740.8274.9V-1.920.9857.7

3.3.3裂缝检测结果

关键截面在相对应的工况荷载作用下宽度和长度均未变化，当加载至最大荷载时，对箱梁裂缝进行了观测，未发现新开展的裂缝，说明该联桥裂缝已处于相对稳定状态。

4 加固设计

4.1 加固设计思路

鉴于外观检查及静载试验结果，桥梁结构强度尚可，但结构整体刚度略低，考虑到运营期间预应力损失和收缩徐变效应的影响，加固设计总体思路是：对裂缝等病害进行全面修补、治理；增加体外预应力，以改善梁体纵向刚度；对部分截面进行补强处理，以达到全面恢复结构承载能力、改善桥梁的使用性能和耐久性的目的。

4.1.1体外预应力加固法

考虑施工的方便、加固的耐久性、大桥的美观性要求，采用在箱内布置体外束的设计方案。

4.1.2增大截面加固法

第13跨的WS13#墩处外腹板内侧及中腹板两侧均采用混凝土材料来增加腹板厚度，以改善腹板受力性能和增加截面抗剪强度。第14跨的WS13#墩处外腹板内侧采用混凝土材料来增加腹板厚度，以改善腹板受力性能和增加截面抗剪强度。

4.1.3裂缝处治

维修加固必须进行全面细致的裂缝处理工作。本桥采用体外有粘结预应力加固为主，并与其它2 种加固技术相结合的方法，实现加固技术可靠、施工方便、安全和耐久的目的。

4.2 加固具体措施

1) 采用4束Φ15.2×12 的钢绞线体外索加固

第13、第14跨桥梁。4束钢束横桥向分别布置在靠近外腹板的内侧及中腹板的两侧。纵桥向2跨通长布置，锚固块位于WS12#及WS14#墩柱附近，采用双端张拉的形式。

2) WS13#墩柱附近腹板开裂位置采用箱内全截面增厚的方式进行。边腹板截面划分为：内侧锚固块、内侧18 cm腹板增厚段、内侧18～40 cm 变厚段、内侧40 cm全断面增厚段。具体见图4。

3) 采取2种方式进行裂缝处理：裂缝宽度在0.15 mm 以上，采用灌注处治；裂缝宽度在 0.15 mm以下，采用封闭处治。

图4 箱梁加固构造布置图

4.3 理论计算结果

总体静力计算根据折面空间梁格理论，按原桥设计荷载等级，考虑了永久作用荷载、汽车、温度力、不均匀沉降等荷载，并根据荷载组合要求的内容进行截面计算，验算结构在承载能力极限状态及正常使用极限状态下是否满足规范的要求。见表4、表5。

1) 由表4可知，该桥在腹板增大截面后，在承载能力极限状态下，结构各控制截面抗弯承载力均满足规范要求，且跨中截面承载力较加固前提高10%左右。斜截面抗剪承载力满足规范要求。

表4 截面内力验算表位置荷载效应值结构承载能力提高百分比/%弯矩/(kN·m)剪力/kN设计值加固值弯矩/(kN·m)剪力/kN弯矩/(kN·m)剪力/kN弯矩剪力边箱腹板墩顶腹板开裂区域1 9742 62816 3345 04516 0075 246-2.04.0 跨中18 74621 84023 5878.0中箱腹板墩顶腹板开裂区域8 1982 52921 4008 31120 5448 618-4.03.7 跨中21 05531 72635 85013.0

表5 增大截面加固对原桥恒载的应力影响计算表MPa位置截面正应力计算值加固前加固后变化值边箱腹板跨中-8.4-8.30.1墩顶-8.7-8.10.6中箱腹板跨中-8.1-8.2-0.1墩顶-9.7-8.61.1

2) 由表5可知，该桥在腹板增大截面后，由于增加了恒载，对于墩顶截面有附加拉应力1.1 MPa，但根据原桥设计图纸及计算书，在允许范围内，因此在正常使用极限状态下，结构各控制截面的上、下缘正应力、主拉及主压应力均满足规范要求。

3) 由图5可知，在汽车荷载作用下，新增腹板和原桥腹板的变形基本一致，变形协调。

图5 活载作用下原桥腹板与新增加固腹板变形图

5 结语

本文以一座运营期内裂缝病害严重的异形连续箱梁桥为例，通过静载试验评定其承载能力，并提出了维修加固方案及具体措施，主要结论如下：

1) 箱梁严重开裂对结构整体刚度影响较大，但在有预应力前提下，结构尚能维持于弹性工作状态。

2) 体外预应力与腹板增大截面相结合加固法使跨中截面承载力较加固前提高10%左右，可以有效解决跨中截面刚度不足的问题。

3) 在腹板增大截面后，结构各控制截面正应力、主拉及主压应力均满足规范要求，且新增腹板和原桥腹板的变形基本一致，说明该方案理论上是可行的，可为类似工程提供参考。