中等跨径预应力连续箱梁底板横向裂缝成因分析与加固方案比选 杨俊 易敬.docxVIP

中等跨径预应力连续箱梁底板横向裂缝成因分析与加固方案比选杨俊1，易敬2，（1. 贵州高速公路集团有限公司贵阳市 550000；2. 中交公路规划设计院有限公司北京市 100088）摘要：通过对一座运营期内底板产生横向裂缝病害的连续箱梁的现场检测、有限元模拟分析，探讨了连续箱梁此类裂缝的病害成因；在此基础上，对箱梁底板张拉体外预应力钢束和张拉纵向预应力碳纤维板两种加固方案的加固效果进行了比较。结果表明：超重荷载的作用是导致连续箱梁底板产生横向裂缝的主要原因；箱梁底板张拉体外预应力钢束和张拉纵向预应力碳纤维板的主动加固方案，都可以将底板受力恢复为全预应力构件，但张拉纵向预应力碳纤维板工艺成熟、工法简单、施工质量容易保证，且不影响桥下净空，施工工期较短，为优选方案。关键词：连续箱梁；底板；横向裂缝；裂缝成因；病害处治中图分类号：U448文献标识码：A：在中等跨径的桥梁中，预应力连续箱梁桥凭借其抗扭能力强，便于现浇施工，自重轻等优点，得到了广泛的应用，但是由于施工质量缺陷、负荷超载以及管理养护工作不力等方面的原因，国内不少连续箱梁底板在运营阶段出现了横向裂缝，这一问题已经引起了桥梁工程界的广泛重视。本文以一座服役期内箱梁底板出现横向裂缝的预应力混凝土连续箱梁桥为研究对象，通过有限元结构分析探讨了裂缝成因，以及加固方案。工程概况与检测情况某连续箱梁跨径组合为2×27m，桥梁全长62m。上部结构为预应力混凝土箱梁，桥面全宽8.5m，车道宽7.5m，桥下净空5.5m。在2016的专项检查中发现箱梁底板共有裂缝41条，缝长合计111.6m，最大缝宽1mm，最大缝深43mm。其中L形裂缝4条，横向贯通18条横，并有2条裂缝发展至腹板侧面形成U形裂缝，其余均为梁底横向裂缝。典型病害如图1所示。图1 箱梁底板裂缝典型照片病害成因分析通过查阅现有相关文献，预应力混凝土箱梁底板横向裂缝的形成原因可以总结为如下几个方面：荷载作用效应，即为使用阶段正弯矩作用产生的，另外也可能为箱梁混凝土温度收缩变形受到约束而施工对策不当引起的。本文结合有限元计算情况，对裂缝成因进行分析。计算模型的建立为了分析箱梁底板横向裂缝成因，建立了空间有限元模型，如图2所示。图2 全桥有限元模型计算考虑的荷载主要包括：（1）结构自重和二期恒载；（2）二车道汽车荷载；（3）箱梁内外温差为11℃；（4）整体升温25℃，整体降温-25℃；（5）纵向预应力按照设计说明及规范规定进行张拉、摩阻系数等参数取值。计算结果分析在设计荷载及超重作用下承载能力极限状态和正常使用极限状态各验算内容对比如表1所示。表1 主梁极限状态验算对比验算内容设计荷载超重荷载抗弯验算（安全系数）1.05（满足要求）0.86（不满足要求）抗剪验算（安全系数）2.54（满足要求）1.18（满足要求）正截面抗裂验算（MPa）2.55（满足要求）-0.15（不满足要求）斜截面抗裂验算（MPa）-0.58（满足要求）-0.37（满足要求）正截面混凝土压应力验算（MPa）7.33（满足要求）9.06（满足要求）注：表中压应力为“+”，拉应力为“-”。通过计算分析结果可以看出：1）在设计荷载作用下，原主梁结构承载能力极限状态和正常使用极限状态各项验算内容均满足规范要求；2）在运营荷载作用下，原主梁结构的抗弯承载能力和正截面抗裂不满足规范要求。由此可见，在超重荷载作用下箱梁底板压应力储备不足而导致拉应力超限是箱梁底板出现横向裂缝的主要原因。病害处治措施为了限制箱梁底板横向裂缝开展，提升结构承载能力，选取了2种方案对病害进行处治，处治方案的具体情况如表3所示。表3 底板横向裂缝处治措施序号实施内容方案性质方案1底板张拉预应力碳纤维板（T=220KN，间距为40cm）主动方案2底板张拉体外预应力钢束（T=677KN，间距为60cm）主动为了对两种方案的病害处治效果进行比较，分别建立模型，进行计算分析。方案1效果分析通过张拉预应力碳纤维板，满足全预应力构件的要求，如图3所示。图3 箱梁底板张拉预应力碳纤维板加固效果方案2效果分析通过在箱梁底板张拉体外预应力钢束后，满足全预应力构件的要求，如图4所示。图4 箱梁底板体外预应力钢束碳纤维板加固效果方案比较在超重作用下，加固前后承载能力极限状态和正常使用极限状态各验算内容对比如表4所示。表4 加固前后极限状态验算对比验算内容原结构方案一方案二抗弯验算（安全系数）0.83（不满足要求）1.13（满足要求）1.11（满足要求）抗剪验算（安全系数）1.26（满足要求）1.26（满足要求）1.32（满足要求）正截面抗裂验算（MPa）-0.15（不满足要求）1.78（满足要求）1.94（满足要求）斜截面抗裂验算（MPa）-0.49（满足要求）-0.59（满足要求）-0.59（满足要求）正截面混凝土压应力验算