連續(xù)剛構橋是目前大跨徑橋梁最常用的形式之一，具有跨越能力大，伸縮縫少、平順度好，行車舒適，施工無體系轉換，無需大型支座，順橋向抗彎、橫橋向抗扭剛度大，順橋向抗推剛度小，能充分適應溫度、混凝土收縮徐變、地震的影響等特點。這種橋型在全國范圍內得到了廣泛的應用和迅速推廣，特別適合于跨越深水、深谷、大河、急流的橋位。然而近年來，連續(xù)剛構橋梁在施工過程中，屢屢出現(xiàn)預應力張拉導致底板被拉崩、拉裂等事故，不由得讓我們對這種橋型的實際應用產生擔心。這種病害是如何發(fā)生的、如何有效地避免病害發(fā)生，以及對已經發(fā)生病害的橋梁如何采取措施進行加固處治，就成為我們橋梁工作者應該面對并思考的問題，因此本文引用位于云南富寧至廣南高速公路的兩座連續(xù)剛構橋梁對病害進行分析研究，并提出加固處治措施，旨在對類似工程實施起拋磚引玉之用。
一、工程概況
本文引用的兩座特大橋（以下簡稱A橋和B橋）都是某高速公路的重點控制工程，主橋上部均為65+110+65米的預應力混凝土連續(xù)剛構。
兩座橋梁上部結構形式基本相同，箱梁根部高度6.5m，跨中高度2.5m，根部底板厚70cm，跨中底板厚28cm，頂寬12m，底寬6m。箱梁澆筑分段長度依次為：19m長0號段+5×3.5m+6×4.5m，邊、中跨合攏段長均采用2m，邊跨現(xiàn)澆段長9m。主橋上部構造按全預應力混凝土設計，采用三向預應力。
現(xiàn)A橋邊中跨均已合攏，已合攏跨底板鋼束全部張拉完畢，并已灌漿封錨。在質量檢查中發(fā)現(xiàn)中跨11號梁段底板混凝土有拉崩現(xiàn)象，底板部分劈裂、破損。具體表現(xiàn)在：①區(qū)剝落混凝土厚度h=1.5～4cm，剝落砼底面到剝落后底面h=6～9cm，鋼筋剝離混凝土距離d=1～6cm；②區(qū)剝落砼厚度h=3～12cm，剝落砼底面到剝落后梁底h=6～11cm，鋼筋剝離混凝土距離d=1～6.5cm。
圖1中跨11號梁段底板整塊劈裂、破損
B橋在交驗檢查中發(fā)現(xiàn)中跨10號段梁底兩側及中間有橫斜向裂縫，崩裂0.1～3mm寬。左側邊緣至2.2m范圍有裂縫7條左右，右側邊緣至1.5m范圍有裂縫5條左右，左側延伸至9號段1.2m長，右側延伸至9號節(jié)段0.7m長。
二、原結構整體受力分析
建模前首先對橋梁整個施工階段進行劃分：
1、橋墩施工完成后，在支架（或托架）現(xiàn)澆0號梁段；待混凝土強度達到90%后,張拉頂板T1、腹板W1鋼束及橫向、豎向預應力鋼束。
2、安裝懸臂施工掛籃；在掛籃上對稱現(xiàn)澆1號梁段，張拉頂板T2、腹板W2鋼束及橫向、豎向預應力鋼束；掛籃前移。重復以上施工步驟，直至張拉完成相應頂板及腹板鋼束。
3、拆除懸臂施工掛籃，安裝邊跨合攏吊架，安裝合攏段支撐鋼管，現(xiàn)澆合攏段混凝土；張拉邊跨底板預應力鋼束。
4、安裝中跨合攏吊架，安裝合攏段支撐鋼管，澆注合攏段混凝土；張拉中跨底板預應力鋼束。
5、橋面系施工。
根據橋梁施工各工況，共安排了54個計算階段，其中53個為施工階段，1個為使用階段。
經過建模計算，對跨中崩裂梁段的應力進行了摘錄，主要摘錄了三個關鍵階段的受力結果：箱梁合攏階段、成橋階段以及最不利荷載組合工況。箱梁控制截面最大、最小應力見表1。
表1 控制截面最大、最小應力表
階段
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截面
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上緣（MPa）
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下緣（MPa）
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max
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min
|
max
|
min
|
箱梁合攏階段
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邊跨L/2
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4.29
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8.67
|
次邊支點
|
7.52
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6.74
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中跨L/8
|
8.23
|
4.97
|
中跨L/4
|
7.22
|
5.60
|
中跨3L/8
|
6.19
|
11.88
|
中跨L/2
|
4.97
|
11.80
|
成橋階段
|
邊跨L/2
|
5.27
|
6.69
|
次邊支點
|
6.34
|
8.00
|
中跨L/8
|
6.83
|
6.54
|
中跨L/4
|
6.59
|
6.22
|
中跨3L/8
|
6.89
|
10.10
|
中跨L/2
|
6.85
|
7.29
|
最不利荷載組合
|
邊跨L/2
|
8.18
|
4.12
|
8.47
|
2.07
|
次邊支點
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7.21
|
4.65
|
9.85
|
7.06
|
中跨L/8
|
7.96
|
4.68
|
9.09
|
5.22
|
中跨L/4
|
8.47
|
4.70
|
8.75
|
3.72
|
中跨3L/8
|
9.88
|
5.35
|
12.37
|
5.48
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中跨L/2
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10.75
|
5.50
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9.32
|
1.22
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結合計算結果，在最不利荷載組合下跨中底板最大壓應力值為12.37MPa，在最不利荷載組合下跨中底板最小壓應力為1.22MPa。可見，設計計算結果能夠滿足運營要求。
三、原結構局部受力分析
本橋中跨跨中附近梁段，底板布置了20根19φs15.2鋼絞線，鋼絞線設計錨下控制張拉應力1395Mpa，經理論計算分析，在跨中附近區(qū)段，鋼絞線的有效張拉應力約為1255.5Mpa,底板預應力鋼束彎曲半徑為800米，據此，每根鋼絞線對跨中底板產生的徑向力為4.175kN/m，即在此區(qū)段內，每個斷面跨中底板作用著由鋼束產生的83.5kN/m的等效荷載，這組荷載的直接效應就是對箱梁的底板產生彈性內力。箱梁底板鋼束產生徑向力示意如圖。
采用空間結構分析程序對該橋出現(xiàn)病害梁段進行建模分析，建模如圖。右幅中跨11梁段底板混凝土已經拉崩，在計算中不考慮橫肋的作用。邊界條件按實際受力狀況進行模擬，預應力采用等效荷載法按照各箱梁節(jié)段的順橋向長度，沿著對應預應力鋼束位置處的各節(jié)點施加豎向均布荷載，該荷載即為預應力張拉所產生的徑向力。計算荷載時，充分考慮預應力的損失，并對恒、活載產生的應力進行疊代。
經過計算，結果見圖2、3。在底板預應力鋼束徑向力作用下，合攏段處底板最大豎向拉應力發(fā)生在倒角附近，應力值為0.75MPa，合攏段處底板最大橫向拉應力發(fā)生在底板底層，應力值為1.2MPa。
圖2 加固前豎向拉應力圖 圖3 加固前橫向拉應力圖
根據計算結果，可知崩裂區(qū)域箱梁底板縱向應力較大，箱梁底板處于高壓應力狀態(tài)。局部分析表明，倒角處豎向拉應力為0.75Mpa，底板底層橫向拉應力為1.2Mpa，如果考慮普通鋼筋的作用，底板似乎不大可能出現(xiàn)此種病害，但根據該橋設計圖紙（見圖4），N17號倒角鋼筋未與底板鋼筋進行連接，造成倒角鋼筋失效，同時根據現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，在底板崩裂區(qū)域，底板頂、底層的連接鋼筋N12數量很少，且布置很不合理。將兩種因素綜合考慮，可知底板崩裂及破損是必然的。
圖4箱梁跨中梁段鋼筋分布圖
四、加固處治措施
?。ㄒ唬〢橋加固
考慮到結構的安全和施工的方便，經過多方案的計算比選，決定采用在箱梁底板增設橫向肋，并增設預應力防崩鋼筋的方法進行加固。為了保證底板在鑿除過程中的安全性，采用在跨中進行配重來降低跨中底板的壓應力儲備。對箱梁破壞梁段增設橫肋來加強底板的剛度，改善底板的受力狀況。在橫肋內設置U型鋼筋兜住預應力管道，使橫肋來承擔箱梁底板鋼束的徑向力，如圖5。
圖5增設底板橫向加勁肋示意圖
?。ǘ〣橋加固
B橋在發(fā)生病害之前已經在箱梁內增設了少量橫肋，該橋病害較A橋輕也與此有關，但仍出現(xiàn)裂縫等病害，分析其原因可能是新增橫肋時施工不當，橫肋與原橋底板之間未有效連接，造成協(xié)同受力不充分。因此決定采用在箱梁節(jié)段內增設鋼橫梁并張拉精軋螺紋鋼筋加強橫向肋的方式進行箱梁底板加強，這種方法能夠使已有的橫肋抵抗防崩鋼筋的作用得到恢復，同時也增強了局部結構的剛度，如圖6。
圖6鋼橫梁加固底板示意圖
五、加固后局部受力分析
（一）A橋加固
采用在箱梁節(jié)段內增設橫向肋的方式進行箱梁底板加強，對加肋后箱梁底板的應力情況進行建模計算分析。模型如圖7。
圖7 有限元整體計算模型
結果表明，增設橫向肋后，箱梁底板應力有所降低，箱梁底板倒角最大拉應力為0.4MPa，箱梁橫向拉應力為0.6MPa，較加固前的應力降低幅度約為40%，且均滿足設計規(guī)范要求（見圖8、9）。表明增設橫向肋后，起到了降低底板混凝土拉應力、防止底板開裂的作用，且橫肋內設置了連接底板底層橫向鋼筋的箍筋，使橫肋能夠與底板協(xié)同受力，整體性大大加強。
圖8 豎向拉應力圖 圖9 橫向拉應力圖
?。ǘ〣橋加固
采用在箱梁節(jié)段內增設鋼橫梁并張拉精軋螺紋鋼筋加強橫向肋的方式進行箱梁底板加強，這種方法能夠使已有的橫肋抵抗防崩鋼筋的作用得到恢復，因此，計算中考慮橫肋的作用。模型如圖10。
圖10 有限元整體計算模型
結果表明，增設橫向肋后，箱梁底板倒角最大拉應力為0.40MPa，箱梁橫向拉應力為0.55MPa，較加固前的應力降低幅度約為50%，且均滿足設計規(guī)范要求（見圖11、12）。表明增設鋼橫梁并張拉精軋螺紋鋼筋加強橫向肋后，能夠起到降低底板混凝土拉應力、防止底板崩裂的作用。每個橫肋處箱梁底板設置兩道鋼橫梁（共計四片）。經計算，在最不利荷載組合下，鋼橫梁下緣最大拉應力為80.2MPa，小于鋼橫梁的容許應力，滿足規(guī)范要求。
圖11 豎向拉應力圖 圖12 橫向拉應力圖
六、結論與建議
連續(xù)剛構橋梁在施工過程中出現(xiàn)拉崩、開裂等病害的情況相當普遍，目前已受到多方關注。本文以某高速公路上的兩座剛構橋的病害及加固方法作為范例進行闡述，在完成這個項目的過程中，筆者有如下幾點體會：
1、設計要注重細節(jié)且應考慮全面。上述兩橋均設置了底板倒角鋼筋，但倒角鋼筋長度明顯不足，不能鉤住底板底層的橫向鋼筋，僅起到構造上的要求，不能使整個底板協(xié)同受力，在預應力張拉產生的徑向力作用下勢必會沿應力較大方向崩裂。
2、加強施工管理。施工單位應嚴格按照設計圖紙進行施工，在上述兩橋的施工現(xiàn)場可以看到連接底板頂、底層鋼筋的連接鋼筋明顯不足，甚至局部缺失，這也是造成底板混凝土被崩裂、破損的重要原因。
3、加固措施應做到可行、合理。橋梁加固工作往往針對已經建好的橋梁，上述兩橋的事故也是在橋梁竣工驗收時發(fā)生的。此時，預應力已經張拉灌漿完畢，重新更換預應力鋼束已不可能，因此在結構計算的基礎上，根據病害情況采取切實可行的方案，既能做到方便施工，又能徹底解決橋梁病害隱患。目前加固工作已經完成，加固效果良好。
我們橋梁工作者應該認真分析和總結病害原因，找出癥結所在，從而改善設計、嚴格施工，避免以后出現(xiàn)類似事故。
