预应力混凝土箱梁病害成因分析及加固技术研究

预应力混凝土箱梁病害成因分析及加固技术研究

黄建云

宁夏交投高速公路管理有限公司  宁夏回族自治区  750000

摘要：随着我国经济的发展，交通量大幅度增长，部分现役桥梁不能满足现代交通运输量的要求，出现大量的受力裂缝，且裂缝不断发展。以沙坡头黄河特大桥引桥为工程依托，对预应力混凝土箱梁受力裂缝展开病害研究。根据检测结果及荷载试验结果提出采用UHPC混凝土增大截面配合体外预应力的加固方案，并针对该方案分别对已采用体外预应力加固过和未加固的预应力混凝土箱梁桥的施工工艺及加固效果进行分析。结果表明：经过UHPC增大截面和体外预应力加固后，能有效的提高主梁刚度，抑制裂缝的发展。原桥主梁在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的承载力均满足规范要求，桥梁结构受力得到显著改善。从而延长桥梁使用寿命。

关键词：预应力混凝土箱梁；UHPC混凝土；受力裂缝；刚度

1引言

21世纪以来，我国交通量急剧增加，重载超载现象频发，导致部分旧桥使用性能恶化，从而出现大量的裂缝。裂缝的存在和发展易引起桥梁结构内部钢筋和混凝土发生腐蚀，从而使得桥梁结构的承载能力和耐久性能下降。

桥梁结构裂缝的加固方法主要有粘贴钢板加固、增大截面加固法及体外预应力加固等等。体外预应力方案应用最为广泛。以沙坡头黄河特大桥引桥为工程依托，对预应力混凝土箱梁受力裂缝展开病害研究。根据检测结果及荷载试验结果提出采用UHPC混凝土增大截面配合体外预应力的加固方案，并针对该方案分别对已采用体外预应力加固过和未加固的预应力混凝土箱梁桥的施工工艺及加固效果进行分析。为该类桥梁加固工程提供参考。

2工程概况

沙坡头黄河特大桥位于宁夏回族自治区中卫市G2012定武高速上，桥梁中心桩号为K257+511，桥梁全长1341.5m，第一联跨径组合为4×40m。桥面全宽26.0m，横向布置为：2×（0.5m（防撞墙）＋11.5m（行车道）＋0.5m（护栏）＋0.5m（分隔带））。上部结构采用4×40m先简支后连续预应力混凝土箱梁，梁高2.0m，跨中设1道横隔板增强横向联系。下部结构0号台采用重力式U型桥台，1号墩采用双柱矩形墩，上设盖梁，2号~4号桥墩采用矩形薄壁空心墩，上设盖梁。设计荷载等级为公路—I级，设计车速为100km/h，地震基本烈度为Ⅷ度。桥型布置图如图1和图2所示。

图1第一联引桥立面布置（单位：cm）

图2 引桥横断面布置（单位：cm）

3桥梁病害分析

3.1常规病害描述

左幅引桥共发现92条裂缝，长度共计158m，最大缝宽0.2mm；右幅引桥共发现裂缝178条，共长228.33m，最大缝宽0.28mm。裂缝主要由底板纵向裂缝、横向裂缝；腹板纵向裂缝、竖向裂缝和斜向裂缝组成。裂缝分布示意如图3所示。

图3 上部结构裂缝分布示意

3.2病害成因分析

①未形成L型裂缝的腹板竖向裂缝主要是由于混凝土的收缩造成的。在浇筑混凝土过程中，当混凝土产生温度收缩或其他原因变形时，箱梁底板表面及下部混凝土受到约束而在箱梁内部出现拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，会产生垂直于拉应力方向的裂缝。

②底板横向裂缝主要分布于个别未进行体外预应力加固的部分梁体的1/2L~3/4L范围。个别裂缝向腹板延伸，数量少，规律性不强，主要由于部分主梁存在结构混凝土松散、孔洞等病害，造成刚度的衰减，而此段高速公路重车混入率较高，在荷载长期反复作用下引起部分箱梁产生横向及竖向裂缝。

③翼板纵、横向裂缝一般由于施工原因引起，为混凝土收缩裂缝。

3.3荷载试验结果

1、静载试验结果

引桥J6~J8测试截面在工况1~6试验荷载作用下，主梁的应变、挠度校验系数大于1.0，测试跨截面的承载能力不满足设计荷载等级要求。

表1 测试截面混凝土应变及挠度测试结果

2、动载试验结果

右幅引桥脉动试验结果：引桥实测基频 2.35Hz，小于计算频率，实测值与计算值比值介于0.905~0.927，刚度偏弱，与引桥静载试验结果吻合。无障碍行车及制动试验结果：实测冲击系数 1.129，小于理论冲击系数 1.135。

4有限元分析

利用midas civil软件对加固前后的预应力混凝土箱梁进行有限元分析。本次荷载试验引桥挠度校验系数及应变校验系数均不满足规范要求，历次外观检测结果发现引桥主梁预制箱梁出现底板横向裂缝及腹板竖向裂缝，根据其裂缝形态及位置可判定为典型的受力裂缝。结合主梁的荷载试验结果及病害情况，调整主要计算参数进行大量试算，寻找合适的基准计算模型。另外引桥静动、载试验最大校验系数为1.08。8cm的桥面混凝土铺装层未考虑其参与受力，仅作为二期恒载考虑，按此计算，主要测点挠度校验系数应比目前所给增大10%以上，在验算时需要考虑以上因素。通过大量试算，当原设计主梁刚度考虑折减20%，预应力损失考虑10%时，计算得结果较符合现状桥梁状态。可此计算模型作为加固设计的基准计算模型。承载能力极限状态下主梁加固前正截面抗弯承载力见表2；正常使用极限状态下主梁加固前、后正截面抗裂验算和斜截面抗裂验算应力包络图如图4和图5所示。

表2 承载能力极限状态下主梁加固前正截面抗弯承载力（单位：kN·m）

由表2可得，承载能力极限状态主梁加固前边梁中跨跨中截面弯矩承载力安全系数最小，最小为1.05，故加固前主梁正截面抗弯承载能力满足规范要求。加固后梁高加高，增大了主梁承载能力富余度。

图4 加固前正常使用极限状态下主梁下缘正截面应力包络图（单位：MPa）

图5 加固后正常使用极限状态下主梁下缘正截面应力包络图（单位：MPa）

由图4和图5可得，正常使用极限状态下边梁上缘最大拉应力为0.58MPa（削峰后），边梁下缘最大拉应力为2.59MPa；中梁上缘最大拉应力为0.49MPa（削峰后），边梁下缘最大拉应力为2.49MPa；均不满足规范限值1.855MPa要求，且接近C50混凝土标准抗拉强度。新增UHPC层最大正截面拉应力为4.66MPa，UHPC材料弹性阶段拉应力为限值7.0MPa，满足规范要求。

在单个箱梁底张拉6束15-1的预应力钢绞线时，分两个断面进行分级交错张拉，每个断面张拉3束15-1的预应力钢束，张拉控制应力为55%的钢束标准强度。利用ANSYS对新增钢锚箱进行局部应力分析，钢锚箱应力计算云图如图6所示。

图6 钢锚箱应力计算结果云图（单位：MPa）

由图6可得，钢锚箱钢板最大有效应力为133MPa，满足Q355钢板的设计要求。按照《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367-2013）第 16.2.4 条的要求。钢锚箱锚栓钢材抗剪设计值40.8kN，大于规范限值10.74kN，满足规范要求。基材混凝土受剪破坏承载力设计值为560kN，大于规范限值430kN，满足设计规范要求。

5加固方案

5.1主梁梁底增大截面加固

在主梁梁底增加梁高的方式增大箱梁截面。对全桥引桥小箱梁梁底跨中两侧32m范围内均增设10.5cm厚UHPC超高性能混凝土（以下简称 UHPC），UHPC 与原梁底混凝土采取植筋增加粘结性。

对于已增设体外预应力的箱梁，将原有预应力放张，割除部分定位钢板后，安装新增钢锚箱及预应力套管，布设钢筋网，浇筑UHPC加大截面，最后张拉预应力钢束。

对于未设置体外预应力的箱梁，先安装钢锚箱及预应力套管，接着布设钢筋网，再浇筑UHPC截面，最后张拉预应力钢束。

5.2主梁增加无粘结预应力钢束

对所有未采用体外束加固的小箱梁，采取跨中底板下缘增加钢锚箱及体外预应力的加固方式，每片梁梁底增加钢锚箱及6束15-1的环氧涂层HDPE钢绞线。

对所有已采用体外束加固的小箱梁，由于原加固预应力损失普遍较大，应先放张原加固预应力，并拆除原加固钢绞线、割除部分钢定位板（影响UHPC加大截面），保留原锚板、钢套管，重新穿束，之后再采取跨中腹板下缘增加钢锚箱及体外预应力的加固方式，每片梁腹板两侧各增加1束环氧涂层HDPE钢绞线。

图7 预应力钢束张拉平面图

图8 钢锚箱立面图

图9 钢锚箱平面图                        图10 钢锚箱侧面图

6结论

本文以沙坡头黄河特大桥引桥为工程依托，对预应力混凝土箱梁受力裂缝展开病害研究。根据检测结果及荷载试验结果提出采用UHPC混凝土增大截面配合体外预应力的加固方案，并针对该方案分别对已采用体外预应力加固过和未加固的预应力混凝土箱梁桥的施工工艺及加固效果进行分析。结果表明：经过UHPC增大截面和体外预应力加固后，能有效的提高主梁刚度，抑制裂缝的发展。原桥主梁在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的承载力均满足规范要求，桥梁结构受力得到显著改善。从而延长桥梁使用寿命。

参考文献

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