空洞病害对曲线预应力混凝土箱梁桥承载力影响研究

赖嘉洲 欧阳沛 唐 杨

（1.广东交科检测有限公司，广东 广州 510550； 2.广东罗阳高速公路有限公司，广东 阳江 511500；3.五峰土家族自治县农村公路管理所，湖北 宜昌 443413）

由于早期修建桥梁时的设计理论不够完善、施工技术不够先进以及维修保养不够重视，导致很多在役桥梁出现了不同程度的病害［1-2］，这些病害的产生将对车辆、行人的安全产生难以估计的影响。为检验病害桥梁结构的承载能力，采用静载试验是一种较为直接又相对可靠的方法。通过查阅近年来采用静载试验对桥梁承载能力评估的相关文献［3-4］发现，桥梁的承载能力评估绝大多数针对直线连续箱梁桥，而对于曲线连续箱梁桥的评估较少，尤其是针对存在混凝土存在空洞问题的曲线连续箱梁。曲线箱梁桥不同于直线箱梁桥的受力状态［5］，对存在病害状态下曲线箱梁桥的承载能力评估显得更有价值和意义。

本文以广州某座曲线连续箱梁桥为工程背景，基于全面接触式方法进行桥梁外观检测，根据桥梁病害的检测结果，制定荷载试验方案检验该桥的承载能力，对混凝土底板空洞的影响程度进行评估。

1 工程概况

鱼窝头互通立交EK0+519匝道桥位于国道主干线广州绕城公路南环段，桥跨布置为（28+31.5+31）m+（35+50+35）m+（22+20.5）m。该桥上部结构采用预应力混凝土连续箱梁，支座均采用盆式橡胶支座，桥墩为双柱墩、薄壁墩，基础为钻孔灌注桩，桥台为双肋式桥台，全桥设置4道D80型伸缩缝。该桥的桥梁设计荷载等级为公路-Ⅰ级。

2 桥梁外观检测

检测结果表明，鱼窝头互通立交EK0+519匝道桥第一联的第一跨和第二跨箱梁底板存在空洞、露筋和露波纹管等病害，第一跨的具体病害情况如表1所示，第二跨的具体病害情况如表2所示，第一跨和第二跨的箱梁底部混凝土空洞分布如图1所示。表1中病害位置的顺桥向位置以0#桥台为基准，表2中病害位置的顺桥向位置以1#桥墩为基准，表1和表2中的横桥向位置均以左腹板为基准。

表1 第一跨箱梁底板空洞病害统计表

表2 第二跨箱梁底板空洞病害统计表

图1 箱梁底板空洞分布图/m

3 静载试验

3.1 加载工况及试验效率

鱼窝头互通立交EK0+519匝道桥的第一联桥梁底板沿波纹管设置方向存在较多混凝土空洞，采用等效荷载模拟在设计汽车荷载作用下桥跨的最不利受力和变形，对以下三个工况进行荷载试验。

工况一是左边跨跨中最大正弯矩工况，工况二是1#墩墩顶主梁最大负弯矩工况，工况三是中跨跨中最大正弯矩工况，三个工况的荷载效率在0.93～1.01之间。汽车加载采用横向内侧偏载的加载模式，加载车辆模型及加载示意如图2所示。

图2 载位布置平面图/cm

3.2 测试内容及测点布置

3.2.1 挠度测点布置

全桥挠度测点共计11个截面，在第一跨的跨中截面（A-A）和第二跨的跨中截面（C-C）布置左中右三个挠度测点，其余9个截面仅仅布置左右两个挠度测点。左右挠度测点距桥梁中心线的距离均为7.2m，具体挠度测点布置如图3所示。

图3 挠度测点布置平面图/cm

3.2.2 应变测点布置

全桥应变测试截面有第一跨的跨中截面、1#桥墩附近截面（B-B）以及第二跨的跨中截面，截面具体位置如图4所示。应变观测采用电阻应变片进行，在每个截面布置13个应变片，分别位于距离梁底0cm、10cm、52.5cm、95cm、125cm的高度，应变片具体布置位置如图4所示。在工况一时对A-A截面的应变进行测试，工况二时对B-B截面的应变进行测试，工况三时对C-C截面的应变进行测试。

图4 应变测点布置平面图/cm

为检验荷载作用下箱梁底板混凝土空洞是否产生较大的应力集中，在同一截面的混凝土空洞附近和远离混凝土空洞的位置各布置一个应变片，在工况一和工况三分别对比混凝土空洞附近和远离混凝土空洞的位置的应变值。在第一跨跨中附近较为严重的两处混凝土空洞位置布置两组应变片，测试组号为1～2，在工况一时进行测试；在第二跨跨中附近较为严重的五处裂缝位置布置五组应变片，测试组号为3～7，在工况三时进行测试。

3.2.3 裂缝测点布置

对顶板的典型裂缝布设应变传感器，测试加载过程中裂缝宽度的变化情况，传感器垂直于裂缝方向布设，监测点具体布置如图5所示。由图5可以看出，面向大里程方向（1#墩到2#墩方向），左箱室为1#箱室，右箱室为2#箱室，在1#箱室顶板布置6个应变传感器，在2#箱室顶板布置8个应变传感器。裂缝变化情况的测试只在工况三进行。

图5 裂缝测点布置平面图/m

4 试验结果分析

4.1 挠度测试

在工况一和工况三下分别对全桥的挠度进行测试，并与理论计算值进行比较，工况一时第一跨的跨中挠度最大，工况三时第二跨的跨中挠度最大，随着逐级荷载的施加，在五级加载完成后跨中挠度均达到最大值，将五级加载实测值与理论计算值进行对比如图6所示。

图6 挠度测试结果数据

由图6a可知，工况一时第一跨跨中挠度实测平均值为3.9mm，理论计算值为6.2mm，校验系数为0.63，接近 《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）挠度校验系数0.7～1.0的常值范围的下限。工况三时第二跨跨中挠度实测平均值为4.6mm，理论计算值为7.4mm，校验系数为0.62，接近挠度校验系数0.7～1.0的常值范围的下限。根据实测值计算，在工况一卸载后，A-A截面三个测点的挠度相对残余变形在5.0%～9.3%之间；工况三卸载后，C-C截面三个测点的挠度相对残余变形在4.5%～7.0%之间。工况一和工况三的残余变形均满足《试验规程》 “≤20%”的要求，结构处于弹性工作状态。

由图6b可知，跨中位置的横桥向挠度基本呈线性变化趋势，表明箱梁具有较强的横向刚度。

4.2 应变测试

各工况满载作用下根据主梁截面高度分别计算应变平均值如图7所示。

图7 应变测试结果数据

由图7可知，工况一满载作用下第一跨A-A截面下缘拉应变的理论值为71με，实测平均值为46με，应变校验系数为0.65；工况二满载作用下B-B截面下缘应变理论值为-46με，实测平均值为-29με，应变校验系数为0.63；工况三满载作用下第二跨C-C截面下缘拉应变理论值为71με，实测平均值为48με，应变校验系数为0.68。工况一、二、三均满足 《试验规程》中0.60～0.90常值范围的要求。根据实测值计算，在工况一卸载后，A-A截面各测点的相对残余应变在3.8%～7.5%之间；工况二卸载后，B-B截面各测点的相对残余应变在8.0%～11.1%之间；工况三卸载后，C-C截面各测点的相对残余应变在0～9.3%之间。由此可见，工况一、二、三的残余变形均满足《试验规程》 “≤20%”的要求，箱梁的整体应变曲线基本呈直线分布，结构处于弹性工作状态。

提取相同梁高下混凝土空洞附近测点的应变与正常位置测点的应变，计算得到裂缝附近测点应变与正常位置测点应变的差值如图8所示。由图8可以看出，在工况一时，混凝土空洞附近测点应变与正常位置测点应变的最大差值为9με；在工况三时，裂缝附近测点应变与正常位置测点应变的最大差值为8με。设计荷载作用下混凝土空洞位置的应力集中不显著。

图8 混凝土空洞对应变的影响

4.3 裂缝宽度测试

在工况三时提取一级加载到五级加载的第二跨箱梁顶板14个测点的裂缝宽度变化数据如图9所示。

由图9可知，1号测点的裂缝宽度变化最大，达到0.01mm，其余大部分测点的裂缝宽度变化均在0.006mm以内。卸载后裂缝的宽度可以恢复到加载前的初始状态。当前荷载作用下，桥梁的裂缝宽度不会发生进一步扩大。

图9 裂缝宽度变化

5 结论

本文以某曲线预应力混凝土箱梁桥为研究对象，采用静载试验方法，对带有混凝土空洞病害的桥梁受力状态进行评估，得到以下结论：

（1）三个工况的静载测试表明该曲线预应力混凝土箱梁桥的强度、变形和裂缝宽度均满足《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60-2015）公路-Ⅰ级的设计荷载要求。

（2）梁底病害位置处未产生明显的应力集中现象，空洞病害对结构承载能力的影响较小。

（3）成桥后及时对波纹管附近的混凝土密实情况进行排查，对箱内裂缝进行封闭处理，并定期观测；对箱外底板的混凝土空洞，需对外露钢筋进行除锈阻锈处理，再用合适的材料填充密实空洞部位，提高结构的耐久性。