某变截面连续箱梁桥病害分析与处治

进行了大量研究， 但还没有统一认识。文章对某变截面连续箱梁建立的模型， 计算分析结果与检测的裂缝分布及
规律相符， 指出设计中没有考虑箱梁的空间效应和箱内外温差是引起腹板开裂的主要原因。提出加固方案， 分析
了加固效果， 可供同类桥参考。
关键词： 桥梁工程； 连续箱梁； 腹板裂缝； 桥梁加固
中图分类号： Ｕ４４８．２１＋３
文献标识码： Ｂ
１ 桥梁现状
性。 （ ６） 预应力管道普遍存在未压浆现象， 未压浆预应
某 变 截 面 连 续 箱 梁 桥 ， 跨 径 为 ５２ｍ＋３×８０ｍ＋５２ｍ， 力钢束 （ 钢筋） 都存在锈蚀， 有些预应力管道积水， 加
连续箱梁采用 Ｃ５０ 混凝土， 单箱单室箱形截面， 支点处 速了预应力钢束的锈蚀速度。
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某变截面连续箱梁桥病害分析与处治
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李承昌 ， 刘以谦 ， 房清雷 ， 沈 跃
（ １．北京公科固桥技术有限公司， 北京 １０００８８； ２．济宁市公路局， 山东 济宁 ２７２１１３）
摘 要： 变截面连续箱梁桥跨越能力大、造价经济， 近年得到广泛应用， 但建成后普遍出现腹板开裂， 国内外虽
３ 空间计算分析
为了分析腹板开裂原因， 采用空间模型计算分析其 受力状态， 箱梁自重采用加速度方式加载， 二期恒载、 汽车荷载采用节点力的方式加载， 温度模式采用控制点 加载方式， 纵向预应力采用节点力方式加载， 不考虑竖 向、横向预应力。
根据可能出现的荷载组合， 分别计算了自重＋预应 力、箱梁上下缘温差 （ ＢＳ５４００ 升温模式） 、箱内降温 ５°
作者简介： 李承昌 （ １９６３－ ） ， 男， 山东新泰人， 研究员， 从事公路桥梁工程研究。
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应力出现很小拉应力外， 基本符合原设计规范要求。因 此， 在当时技术水平下， 设计对应力控制是比较合适 的， 但检查发现箱梁严重开裂， 除施工质量不佳外， 当 时的计算分析仅考虑箱梁产生竖向弯曲， 而对箱梁空间 效应产生的扭转和畸变变形用活载扩大系数考虑， 可能 没有完全覆盖这一因素的影响。
表 １ 次边跨控制截面箱梁腹板内侧主拉应力
表 ２ 次边跨控制截面腹板外侧主拉应力
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直面夹角逐渐增大。各截面主拉应力均大于 《公路钢筋 混凝 土 及 预 应 力 混 凝 土 桥 涵 设 计 规 范》（ ＪＴＧ ０２３－ ８５） 的 容许值， 与检测结果相符。
４ 加固方案
根据该桥病害情况和计算分析结果， 箱梁腹板是其 薄弱环节， 应增加腹板强度， 减小活载、温差等产生的 主拉应力， 限制裂缝继续开展。具体加固方案为： 箱梁 腹板原设计偏薄， 开裂严重， 粘贴钢板后， 在箱梁腹板 内表面植筋， 绑扎 钢筋网， 浇注 １５ｃｍ 厚混凝土； 箱梁 采用单箱单室， 箱宽较大， 宽箱效应明显， 增设横隔 板， 减小宽箱效应； 在箱梁腹板设通风孔， 增加箱内外 空气对流， 降低箱内外温差。
采用加厚腹板、增设横隔板增加了箱梁自重； 在箱 内施加体外预应力， 改善结构的应力状态的同时， 可能 会改变原结构的应力状况， 甚至会使某些截面出现拉应 力。为此计算了加厚腹板、增设横隔板、施加体外预应
表 ３ 加固后次边跨控制截面原箱梁腹板内侧主拉应力
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以上主拉应力大小、分布、方向能很好解释箱梁腹 板内侧裂缝规律， 箱梁腹板内侧的主拉应力跨中最大， 由跨中向墩顶逐渐减小， 所以跨中裂缝宽度较大， 由跨 中向 １／４ 跨逐渐减小。跨中主拉应力方向为竖向， 由跨 中向墩顶其与竖直面夹角逐渐增大， 所以裂缝在跨中水 平， 向 １／４ 跨倾角逐渐增大。这很好解释了变截面箱梁 腹板裂缝及其规律， 说明箱梁腹板内侧裂缝主要是设计 中没有考虑宽箱效应和箱内外温差引起的， 因此加固时 应增加腹板刚度、强度、降低箱内外温差， 使箱内外温 差、活载作用产生的力主要由加固部分承担， 减小原腹 板应力水平。
图 １ 腹板典型裂缝分布图
（ ４） 混 凝 土 表 观 质 量 较 差 ， 存 在 大 面 积 蜂 窝 、 麻 面， 局部有孔洞、露筋、钢筋锈蚀， 部分施工节段接缝 不平顺， 顶板挂篮孔渗水严重。
（ ５） 箱梁腹板内侧有较多斜向裂缝， 倾角从跨中向 支座逐渐加大， 在跨中附近裂缝走向近于水平， 而腹板 外 侧 裂 缝 较 少 （ 图 １） 。 底 板 底 面 有 较 多 纵 向 裂 缝 ； 顶 板纵向裂缝分布在跨中附近； 横隔板裂缝分布无规律
２ 原设计复算
采用平面杆系有限元程序对原设计进行验算， 主要 控制截面验算结果如下： 荷载组合 Ｉ 时， 最大正应力及 主压应力均为 １１．６０ＭＰａ， 最小正应力为 １．４４ＭＰａ； 在荷 载组合 ＩＩ 时， 最大正应力为 １２．１０ＭＰａ， 最小正应力为－ ０．１６ＭＰａ， 最大主拉应力为－ １．９７ ＭＰａ， 除组合 ＩＩ 最小正
了质量检测和荷载试验， 检测发现的病害及试验主要结
论如下：
（ １） 桥面铺装出现大 量 纵 、横 向 裂 缝 ， 多 处 网 裂 、
破碎， 导致桥面防水失Baidu Nhomakorabea。
（ ２） 全桥伸缩缝功能失效， 橡胶板断裂、松动、下
沉， 型钢松动、缺失， 跳车严重。
（ ３） 与竣工资料相比， 箱梁各跨有较大下挠， 最大 跨中下挠 ８ｃｍ。
［３］ 高丹盈，朱海堂，谢晶晶． 纤维增强塑料筋锚杆及其应用［Ｊ］． 岩石 力学与工程学报，２００４，２３（１３）：２２０５－ ２２１０．
Ｃ、箱 内 升 温 ５°Ｃ （ 根 据 几 座 桥 健 康 监 控 资 料 ， 实 测 箱 内外温差最大达 １０°Ｃ） 、汽车等荷载在主要控制截面 腹 板内外侧表面产生的最大竖向正应力及剪应力， 计算结 果见表 １、表 ２ （ 表中主拉应力方向为主拉应力与竖直 面的夹角， 以主拉应力顺时针旋转到竖直面为正值， 反 之为负值。） ， 根据计算结果， 组合了控制截面腹板内外 侧的主拉应力也列在表中。
根据对多座箱梁桥的实测， 箱内外温差较大， 在腹 板内外表面产生的应力不能忽略， 考虑这一因素及自重 在腹板内外表面产生的应力， 计算出主应力后， 就能很 好解释该桥箱梁腹板裂缝规律： 箱梁腹板内侧的主拉应
力由跨中向墩顶逐渐减小， 所以跨中裂缝宽度较大， 由 跨中向 １／４ 跨逐渐减小； 跨中主拉应力方向为竖向， 由 跨中向墩顶其与竖直面夹角逐渐增大， 所以裂缝在跨中 水平， 向 １／４ 跨其倾角逐渐增大。而由于底板重力在腹 板外侧产生竖向压应力， 抵消了其他荷载产生的部分拉 应力， 所以在整个跨度内， 主拉应力均较小， 其裂缝也 较少； 在另一座箱梁桥的检查中发现， 其腹板内侧裂缝 分布及倾角与该桥相似， 腹板外侧没有发现裂缝。
（ ８） 在各控制截面最不利载位加载时， 各控制截面
３．８５ｍ， 箱梁顶宽 １５．７ｍ。连续箱梁为三向预 应 力 结 构 ， 的 实 测 挠 度 小 于 理 论 计 算 挠 度 ， 挠 度 校 验 系 数 在 ０．４～
采 用 挂 篮 悬 拼 悬 浇 法 施 工 。 基 础 为 钻 孔 嵌 岩 灌 注 桩 基 ０．９８ 之间； 各控制截面混凝土实测弹性应力基本小于理
由表 １ 可以看出， 跨中腹板内侧主拉应力最大值 ３．４３ＭＰａ， 最 小 值 ２．６１ＭＰａ， 主 拉 应 力 方 向 为 竖 向 ； ３／８ 跨腹板内侧主拉应力最大值 ２．８１ＭＰａ， 最小值 ２．５４ＭＰａ， 主拉应力方向与竖直面夹角为 １６ｏＣ； １／４ 跨腹板内侧主 拉 应 力 最 大 值 ２．５８ＭＰａ， 最 小 值 ２．４５ＭＰａ， 主 拉 应 力 方 向与竖直面夹角为 ２２°Ｃ。即在恒载、温度力作用下， 箱 梁腹板内侧的主拉应力在跨中最大， 由跨中向墩顶逐渐 减小； 跨中主拉应力方向为竖向， 由跨中向墩顶其与竖
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力等加固项目后各控制截面正应力的变化， 各控制截面 上下缘压应力储备均增加， 没有出现拉应力， 压应力最 大增加 １．６４ＭＰａ， 远小于 Ｃ５０ 混凝土的容许压应力， 满 足规范要求。
５ 结语
变截面连续梁桥腹板裂缝虽进行了大量研究， 但认 识尚未统一， 加固处理方法也有很大差异。早期的杆系 结构分析， 没能考虑自重使顶底板在横桥向弯曲产生的 应力， 空间分析也忽略了箱内外温差影响， 造成计算结 果与实测箱梁腹板裂缝分布不符， 无法解释裂缝产生原 因。
梁高 ５ｍ， 跨中梁高 ２．３ｍ， 顶板设 １．５％双向横坡， 腹板
（ ７） 实测桥跨结构频率低于计算值， 说明箱梁刚度
厚 由 墩 顶 ６０ｃｍ 渐 变 至 跨 中 ３５ｃｍ， 底 板 厚 由 墩 顶 ６０ｃｍ 偏低。
渐 变 至 跨 中 ３０ｃｍ， 箱 梁 底 宽 ８ｍ， 两 侧 翼 缘 板 各 悬 出
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高逐渐减小， 预应力损失越来越大， 预应力对减小跨中 附近腹板主应力贡献更小； 多座桥的检查发现很多竖向 预应力钢筋没有张拉或张拉不到位， 失去了应有的作 用， 这也是导致腹板开裂的原因。
该大桥与国内同类桥型比较， 特别是与上游 ５ｋｍ 左 右的同类桥相比， 箱梁裂缝多， 跨中下挠严重， 顶板、 腹板多处渗水等等， 说明施工质量不佳， 这也是箱梁裂 缝的原因之一。
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碱盐性， 在岩土锚固工程中具有光广阔的发展前景。
参考文献
［１］ 袁勇，贾新，闫富友．岩石 ＧＦＲＰ 锚杆的可行性研究［Ｊ］．公路交通科 技，２００４，２１（９）：１３－ １５．
［２］ 于清．ＦＲＰ 的特点及其在土木工程中的应用［Ｊ］．哈尔滨建筑大学学 报，２０００，３３（６）：２６－ ３０．
根据变截面箱梁腹板裂缝产生原因， 新建或加固设 计时应采取的主要措施有： 增设通风孔， 加强箱梁内外 空气对流， 减少箱内外温差； 箱梁竖向预应力钢筋布置 偏向腹板内侧， 增加腹板内侧预压应力； 加厚腹板、减 小箱宽， 降低自重在腹板内外侧产生的竖向应力。
参考文献：
［１］ ＪＴＧ Ｄ６２－ ２００４， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 ［Ｓ］．
础。
论计算应力， 校验系数差异较大， 一般在 ０．７５ 左右， 但
大桥竣工通车 ８ 年后， 养护检查发现， 桥面铺装破 个别点校验系数大于 １。
损严重， 伸缩缝老化、破损、构件缺失， 箱梁顶板漏
（ ９） 箱梁腹板裂缝宽度加载后有所扩展， 卸载后弹
水、腹板开裂严重， 危及桥梁使用安全。随即委托进行 性恢复。
以上计算分析表明， 考虑宽箱效应和箱内外温差 后， 即使不考虑活载作用， 跨中腹板内侧主拉应力就已 超过 Ｃ５０ 混凝土抗拉强度标准值； 而腹板外侧主拉应力 明显减小， 这就能很好解释变截面箱梁腹板内侧裂缝远 远多于外侧裂缝原因。为减小腹板主拉应力， 设计时在 腹板内布置了竖向预应力钢筋， 但随着由墩顶向跨中梁
由表 ２ 可以看出， 由于宽箱效应， 底板重力在腹板 外侧产生竖向压应力， 抵消了其他荷载产生的部分主拉 应力， 所以在整个跨度内， 主拉应力均较小， 在各种组 合下没有超过混凝土抗拉强度。但检查发现跨中附近腹 板外侧出现了斜裂缝， 从裂缝调查分布图观察， 裂缝均 分布在纵向弯起钢束末端， 并大致与钢束垂直。弯起钢 束锚具压力由锚具沿钢束方向成一定角度扩散， 在两钢 束间存在压应力空白区， 这可能是引起箱梁腹板外侧裂 缝的主要原因。
采用空间模型计算了加固后原腹板内侧主拉应力， 计算结果见表 ３， 由表 ３ 可以看出， 跨中主拉应力约减 小 １ＭＰａ， １／４～３／８ 跨主拉应力约减小 ０．８ＭＰａ， 各截面主 拉 应 力 约 降 低 ３０％。 在 恒 载 、 温 度 、 汽 车 等 荷 载 作 用 下， 最大主拉应力为 ２．５３ＭＰａ， 小于《公路钢筋混凝土及 预应力混凝土桥涵设计规范（ ＪＴＪ０２３－ ８５） 》规定的 Ｃ５０ 混 凝土抗拉强度容许值 ２．７０ＭＰａ， 达到了预期目的。