某PC连续箱梁桥病害分析及体外预应力加固研究★

刘 恒 曾芙霞 曹晓斌

(湖南高速铁路职业技术学院铁道工程学院，湖南 衡阳 421002)

0 引言

预应力混凝土连续箱梁桥是目前较为常见的一种桥梁结构形式。相较于其他桥型，预应力混凝土连续梁桥以其结构受力性能好、跨越能力强、行车平顺舒适、造型简洁、材料利用率高等优点而成为最富有竞争力的主要桥型之一。

随着运营时间增加、材料的老化以及结构环境的变化，大量在役PC连续箱梁桥出现了不同程度的病害，严重影响了结构的使用寿命和车辆行人的安全。因此，对既有桥梁进行病害分析和加固显得尤为重要。

相对于其他加固方法，体外预应力加固具有受力明确、施工方便、减轻梁体自重、便于后期检查及维修等优点。

1 工程背景

1.1 工程概况

某桥梁上部结构为40 m+60 m+40 m跨径组合的三跨变截面预应力混凝土连续箱梁。主梁采用单箱双室截面，箱梁顶板宽16 m，底板宽11 m，悬臂2.5 m，根部梁高3.5 m，跨中梁高2.0 m，梁高和底板厚均按二次抛物线变化。顶板厚30 cm，底板厚度由支点至跨中从50 cm变化到28 cm，边腹板厚度由支点至跨中按60 cm,50 cm分段设置，中腹板保持60 cm厚度不变。下部结构采用桩柱式墩台基础。设计荷载为公路—Ⅰ级。主梁使用C50混凝土，采用挂篮悬臂施工。桥型布置图见图1，箱梁截面图见图2。

主桥变截面悬浇连续箱梁采用三向(纵向、横向、竖向)预应力，纵向预应力束根据张拉的时间与形状不同可分为前期顶板束、前期下弯束和后期束，前期顶板束与前期下弯束在浇筑“T”时进行张拉，后期束在“T”浇筑完毕以及前期顶板束和前期下弯束张拉完成后，主桥合龙时或成桥后进行张拉。

本桥前期顶板束、前期下弯束、后期束，分别设置16φs15.2 mm，12φs15.2 mm钢绞线，控制应力为0.75fpk，16φs15.2 mm钢绞线张拉控制力为3 124.8 kN，配YM15-16锚具，两端张拉。12φs15.2 mm钢绞线张拉控制力为2 343.6 kN，配YM15-12锚具，两端张拉。

箱梁腹板内竖向及横隔板竖向和横向预应力均采用3φs15.2 mm钢绞线，采用二次张拉工艺，配OHM15-3G二次张拉专用锚具，控制应力0.75fpk，张拉控制力为586 kN。一端固定，一端张拉。腹板竖向预应力纵向间距为50 cm。

箱梁顶板横向预应力束为3φs15.2 mm钢绞线，单端交错张拉，配YMB-3扁锚，锚固端采用钢绞线打花工艺锚固，纵向间距为50 cm，控制应力0.75fpk，张拉控制力为586 kN。

1.2 病害调查

该桥位于交通要道，车流量较大，且经常有运输砂石的超载车辆通过。经过十多年的运营，该桥出现了不少病害。经检测发现，该桥主要病害为裂缝和挠度。裂缝主要分布形态有支点附近的顶板纵桥向和横桥向裂缝、翼板横向裂缝、腹板斜向裂缝以及主跨跨中30 m范围内的底板横向裂缝。梁体裂缝共计275条，其中底板横向裂缝最多，最大裂缝宽度0.9 mm，且有不断加大趋势。主梁线形检测数据跟设计标高对比显示，主跨跨中下挠10.8 mm，且有继续下挠的趋势。

另外，箱梁局部有蜂窝、麻面、露筋、钢筋锈蚀等缺陷。

1.3 病害成因分析

根据箱梁主要病害检测结果，分析主要成因有以下几点：

1)设计原因。

原设计纵向预应力设计不足，预应力安全储备偏小；部分预应力束布置不合理，造成局部应力过大，普通钢筋配置偏少，不能有效阻止、延缓裂缝的发展。

2)施工质量原因。

桥梁施工时振捣不够充分或模板质量较差，导致混凝土表面产生较多蜂窝、麻面；施工时钢筋保护层不够，造成露筋、钢筋锈蚀等缺陷；由于赶工期，跨中段混凝土浇筑质量差，有的地方腹板厚度少了2 cm～3 cm；施加预应力时构件龄期过短，徐变引起的变形及预应力损失过大；箱梁悬臂浇筑时线形控制较差导致跨中段桥面铺装层过厚，恒重加大。因此，造成主跨跨中下挠较大。

3)外部环境原因。

该桥位于交通要道，车流量大，且超载车较多，加之桥位附近的金属冶炼企业污染较严重，对钢筋混凝土影响较大；混凝土的收缩徐变造成预应力损伤过大。

2 体外预应力加固设计

通过对该桥进行承载能力检算和荷载试验显示，该桥抗弯承载能力明显不足，应力和挠度校验系数部分低于1，实测刚度低于理论值。针对以上病害情况，采取以下措施维修：对蜂窝麻面、裂缝进行修补，对钢筋裸露部分进行除锈，钢筋锈蚀严重的重新焊接钢筋。针对承载能力不足的情况，采用折线形体外索加固以达到增强抗弯承载力的要求。

根据原设计图纸和现场检测得出的尺寸及配筋数据，采用Midas Civil软件进行计算。计算中考虑的荷载有：连续梁自重；桥面二期恒载；公路—Ⅰ级汽车活载；梁截面竖向非线性温度分布效应按《公路桥涵设计通用规范》取；原预应力及相应的二次内力效应；混凝土收缩徐变及其相应的二次内力效应。不考虑支座位移，只涉及纵向受力及配筋计算。考虑到该桥跨径不算大，又采用单箱双室，拟采用8束无粘结钢绞线集束作为体外索，分别在中腹板两侧、两边腹板内侧成折线形布置，每侧面两束。体外索取每束19φs15.2无粘结预应力钢绞线集束，每束截面面积为19×140=2 660 mm2，8束截面面积Ape=21 280 mm2，抗拉强度标准值fpk=1 860，张拉控制应力取0.55fpk=0.55×1 860=1 023 MPa。体外预应力索在中跨、边跨均采用双折线，中间绕过中支点横隔板，两端锚固于边跨支点附近的新增齿块上，在新增齿块上设锚座，采用两端张拉锚固。新增钢结构肋形转向横隔板，共6道。体外预应力索布置见图3。

3 加固效果分析

加固完成后，按公路—Ⅰ级标准对该桥进行荷载试验，试验效率系数介于0.97～1.02，符合相关规范要求。试验结果表明，该桥经体外预应力加固后，跨中挠度降低了约30%，主跨跨中和边跨跨中在试验荷载作用下的最大挠度值分别为8.2 mm和6.1 mm。各测点校验系数均大于1，实测主桥刚度大于理论值。体外预应力加固后，使梁体产生了预压力，之前的裂缝大量减少或基本闭合，提高了桥梁的抗裂性。加固后中跨跨中和边跨跨中下缘测点挠度、应力数据见表1。

表1 加固后中跨跨中和边跨跨中下缘测点挠度、应力数据

4 结语

1)PC连续箱梁桥在运营过程中出现的病害主要为裂缝和跨中下挠，其产生原因主要有设计存在不足、施工质量较差以及环境变化等情况；

2)对PC连续箱梁而言，体外预应力加固显著提高了桥梁结构的承载能力和有效改善了桥梁结构的工作性能，加固后跨中挠度明显减小，裂缝宽度变窄甚至闭合。体外预应力加固PC连续箱梁效果明显、施工方便、工程质量易于控制，具有明显的经济效益和广阔的发展空间。