大跨度連續(xù)箱梁橋的病害及處理
2015-04-17 
   引言

   預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁因其受力合理、跨越能力較強(qiáng)而應(yīng)用廣泛。在近年的橋梁運(yùn)營管理中,由于各種非設(shè)計因素的影響,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋出現(xiàn)了各種病害。以惠河高速公路東江特大橋?yàn)槔摌蛟诮ǔ赏ㄜ嚁?shù)年后發(fā)現(xiàn)箱梁頂板、腹板和底板存在不同程度的開裂,同時粱體存在一定的下?lián)?。為了防止這些病害進(jìn)一步惡化,需在準(zhǔn)確分析其成因的基礎(chǔ)上及時采取合理措施進(jìn)行處理。

   1、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁常見病害及分析

   連續(xù)箱梁一般采用三向預(yù)應(yīng)力體系,各向預(yù)應(yīng)力在不同程度上能提高混凝土的性能。但由于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁自身的構(gòu)造特點(diǎn)、設(shè)計理念的局限性、施工工藝及控制以及橋梁運(yùn)營期間的實(shí)際荷載等因數(shù)的影響,使得結(jié)構(gòu)在不同部位出現(xiàn)病害:

    (1)箱梁頂板開裂:裂縫沿縱向發(fā)展,在橫橋向均勻分布且寬度較小,全橋范圍內(nèi)都有分布。由裂縫的性狀來看,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂的原因主要有以下幾個:一方面,由于泊松效應(yīng),箱梁頂板在縱向預(yù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力,進(jìn)而在汽車荷載作用下產(chǎn)生橫向彎矩而開裂,雖然在頂板布置橫向預(yù)應(yīng)力,但由于施工工藝控制等影響,橫向預(yù)應(yīng)力張拉效果難以得到保證。另一方面,預(yù)應(yīng)力位于頂板截面中性軸處,對抵抗橫向彎矩作用不大。此外混凝土早期的收縮變形也是該類裂縫出現(xiàn)的一個誘因。

    (2)箱梁腹板開裂:箱梁腹板在主梁四分點(diǎn)附近存在斜向裂縫,裂縫與梁體頂緣線成3O?!?0。角,有的裂縫甚至沿箱梁全高度延伸,寬度在0.5mm以上,通常中跨較邊跨病害嚴(yán)重。箱梁腹板斜裂縫主要是由于結(jié)構(gòu)抗剪能力不足引起的。在早期的橋梁設(shè)計中,對混凝土結(jié)構(gòu)特l生認(rèn)識不足,在優(yōu)化設(shè)計思想的指導(dǎo)下,往往使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸偏小,這是導(dǎo)致該類裂縫出現(xiàn)的根本原因之一。同時由于提高構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度的豎向預(yù)應(yīng)力筋較短,且在張拉工藝控制等因數(shù)的影響下,導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失較大,使得豎向預(yù)應(yīng)力張拉的效果往往不理想,這是導(dǎo)致該類裂縫出現(xiàn)的另一個主要原因。此外在2004版新“橋規(guī)”頒布之前,結(jié)構(gòu)設(shè)計對日照溫差荷載均按頂板升溫5℃考慮,大量工程實(shí)踐表明,這與實(shí)際情況存在較大的偏差,明顯低估了實(shí)際溫度梯度荷載的作用,導(dǎo)致設(shè)計分析箱梁主拉應(yīng)力偏小。

    (3)箱梁施工縫開裂:箱梁施工縫處腹板底板不同程度存在開裂現(xiàn)象,通常以底板裂縫為主,部分腹板裂縫與底板裂縫貫通。裂縫寬度依病害程度不一,箱梁內(nèi)外均可見,多分布在中跨跨中附近。由于箱梁采用逐段懸澆的施工方法,受施工工藝和施工質(zhì)量等因素的影響,新舊混凝土結(jié)合處易在施工階段存在初始缺陷,并在后期運(yùn)營荷載作用下開裂。同時由于合攏段處預(yù)應(yīng)力施加效果未能達(dá)到預(yù)期,導(dǎo)致構(gòu)件局部預(yù)應(yīng)力不足,使得合攏段處開裂最為嚴(yán)重。

    (4)主梁下?lián)希憾啾憩F(xiàn)為中跨跨中下?lián)希聯(lián)狭颗c跨徑大小和運(yùn)營時間長短有關(guān)。主跨80~100m的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)10年下?lián)狭靠蛇_(dá)100ram,而某主跨245m連續(xù)剛構(gòu)9年下?lián)狭窟_(dá)320ram。2010年第2期 黃明宏大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋病害及處理 總第111期該類橋梁的上述病害并非獨(dú)立存在,箱梁開裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度降低,使得主梁下?lián)霞觿?;而主梁的下?lián)嫌謺催^來加速結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)展。因而對于該類結(jié)構(gòu)病害應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)和處理,避免為結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營帶來隱患。

   2、病害處理方法

   在不改變原有結(jié)構(gòu)體系的情況下,混凝土結(jié)構(gòu)病害處理的方法主要有增大截面法、粘貼鋼板/纖維法和體外預(yù)應(yīng)力法,前兩者屬于被動加固方法,而后者則為主動改善結(jié)構(gòu)受力的主動加固法。

    (1)增大截面法。通過加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸,增加構(gòu)件的剛度,從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載力的效果。

    (2)粘貼鋼板/碳纖維法。通過在結(jié)構(gòu)構(gòu)件弱處粘貼鋼板或纖維布,從而改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài),限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展,以達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)和提高結(jié)構(gòu)承載力的目的。

    (3)體外預(yù)應(yīng)力法。根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有受力狀態(tài),通過合理布置體外預(yù)應(yīng)力鋼束改善結(jié)構(gòu)受力,補(bǔ)償實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)部分梁段預(yù)應(yīng)力度不足,并抑制結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步下?lián)?。工程?shí)踐中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和實(shí)際病害狀況,綜合考慮受力的合理性、經(jīng)濟(jì)性以及對交通運(yùn)營的影響等因素,選擇適當(dāng)?shù)姆桨浮?br />
   3、工程實(shí)例

    3.1 工程概況

    東江特大橋是惠河高速公路跨越東江的一座特大橋,橋梁全長652.11m,主橋?yàn)樗目邕B續(xù)箱梁,跨徑組合45m+2×80m+45m。單幅橋面寬11.38m。主橋箱梁采用變高度單箱單室截面,5O號混凝土,三向預(yù)應(yīng)力體系。設(shè)計荷載為汽一超2O、掛一120級。

    3.2 結(jié)構(gòu)病害

    (1)頂板縱向開裂,裂縫沿縱向通長分布。

    (2)腹板斜向開裂,主要集中在中跨四分點(diǎn)附近,裂縫在箱梁內(nèi)外側(cè)腹板均有分布,而在歷次的檢查中發(fā)現(xiàn)該類裂縫在逐年發(fā)展。施工縫開裂,以中跨跨中最為嚴(yán)重,最大裂縫寬度0.5mm。造成腹板開裂的原因主要有:一方面,腹板的豎向預(yù)應(yīng)力筋較短,加之張拉效果不理想,使得永存豎向預(yù)應(yīng)力低于設(shè)計要求;另一方面,原設(shè)計箱梁溫度梯度按85規(guī)范取值,與廣東地區(qū)的實(shí)際情況有較大出人。在模擬以上兩個影響因數(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn),其最大主壓應(yīng)力小于規(guī)范限值,而最大主拉應(yīng)力大于規(guī)范限值,且最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在中跨四分點(diǎn)附近,這與腹板存在較嚴(yán)重斜裂縫的位置相吻合。

    (3)中跨合攏段腹板、底板不同程度存在開裂,其原因主要是合攏段存在局部預(yù)應(yīng)力不足現(xiàn)象,合攏段在荷載作用下發(fā)生開裂,同時由于在施工過程中混凝土接合面處理不佳,導(dǎo)致施工縫處混凝土不密實(shí),從而使得施工縫處開裂最為嚴(yán)重。

    3.3 加固措施

    針對主梁腹板、施工縫及合攏段病害,根據(jù)荷載試驗(yàn)反映的結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài),對主梁采用主動與被動相結(jié)合的方法進(jìn)行加固,其施工的順序?yàn)椋合确忾]裂縫,再施加體外預(yù)應(yīng)力,最后粘貼鋼板。

    (1)對箱梁裂縫進(jìn)行處理,提高結(jié)構(gòu)耐久性。

    (2)對主跨施加體外預(yù)應(yīng)力,以提高主梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度,補(bǔ)償實(shí)際結(jié)構(gòu)部分梁段預(yù)應(yīng)力度不足,同時可改善結(jié)構(gòu)的變形趨勢,抑制結(jié)構(gòu)下?lián)???梢钥闯?,體外預(yù)應(yīng)力的施加使得箱梁截面主拉應(yīng)力較張拉前有所減小,且最大主拉應(yīng)力小于規(guī)范限值;同時最大主壓應(yīng)力小于規(guī)范限值。

    (3)對腹板、底板及合龍段開裂處粘貼鋼板,以提高結(jié)構(gòu)剛度,改善原有鋼筋及混凝土的受力狀態(tài),限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

    3.4 加固效果

   加固施工期間進(jìn)行了施工監(jiān)控,其結(jié)果表明:維修加固施工完畢后,由于體外預(yù)應(yīng)力的張拉,使得構(gòu)裂縫不同程度存在閉合現(xiàn)象,其最大閉合量為0.046mm;各孔跨中底板及各墩墩頂?shù)膽?yīng)力時程曲線呈現(xiàn)明顯的臺階式變化曲線(其應(yīng)力增量見圖3),表明在張拉體外索后,該孔跨中截面及墩頂截面壓應(yīng)力有較為明顯的增加,使得截面的應(yīng)力狀態(tài)得到改善。同時粘貼的鋼板與結(jié)構(gòu)共同作用,使得結(jié)構(gòu)剛度有所提高,進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的承載力。

    上述結(jié)果表明,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行的維修加固使得結(jié)構(gòu)受力有了較為明顯的改善,而結(jié)構(gòu)整體的加固效果將在橋梁后續(xù)的運(yùn)營過程進(jìn)一步體現(xiàn)出來。

   4、結(jié)語

    大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)的病害正在受到越來越多的關(guān)注,由于這類病害產(chǎn)生原因的復(fù)雜性,對結(jié)構(gòu)長期正常運(yùn)營影響的重要性,筆者建議對其應(yīng)及早發(fā)現(xiàn)、及早處理。東江特大橋工程實(shí)踐表明,采用主動加固與被動加固相結(jié)合的方式,通過適當(dāng)?shù)氖┘芋w外預(yù)應(yīng)力,輔以粘貼鋼板的措施,可以有效地改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),遏制結(jié)構(gòu)病害的進(jìn)一步發(fā)展。
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