徐志民
中交公路规划设计院有限公司
摘 要：某预应力混凝土连续箱梁桥投入运行后，由于重载交通作用和施工初始缺陷的双重因素，偶数联桥跨出现了结构性开裂、耐久性退化等状况。通过对桥梁病害的深入分析，现有病害状况与预应力损失、施工质量控制等内部因素和运营期货车集中通行有直接关系。为了保证结构安全和道路畅通，从提高结构承载能力、恢复使用性能和提升耐久性能三个角度出发，采取张拉体外预应力为主，同时辅以粘贴碳纤维布和耐久性防护措施的综合维修加固手段，对该桥进行了维修加固处理。根据加固前后的荷载试验结果对比分析和后期运行后的实际跟踪检验，所采用的综合性的维修加固措施效果良好，达到了加固处治的目标。通过对本桥所采用加固技术进行系统性的总结和研究，可以进一步积累和提升相关经验，可作为类似桥梁加固维修的参考案例。
关键词 连续箱梁桥，体外预应力，维修加固
一、工程概况
某预应力混凝土连续箱梁桥位于城市外环城路上，桥梁上跨城市主干道，因交通管控的因素，成为货车绕城运输的主要通道。该桥为一座偏南北走向的预应力混凝土连续箱梁桥，全长450m，分东西两幅，每幅桥均为5联，每联3跨，跨径组合均为3×30m。桥梁设计荷载等级为公路-Ⅰ级，桥面总宽35.0m，单幅桥宽16.0m，两幅桥间设3.0m中央分隔带，单幅桥宽布置为：0.5m防撞墙+15.0m车行道+0.5m防撞墙。
全桥上部结构采用预应力混凝土连续箱梁，箱梁截面采用单箱四室，曲线翼缘板。箱梁高1.7m，顶板宽16.0m，厚0.25m，底板宽8.5m，厚0.25m，跨中腹板宽0.5m，支点附近宽0.8m。支点处设置横梁，其中边支点处横梁宽1.5m，中支点处横梁宽2.0m。主梁采用C50混凝土，预应力钢束采用φs15.2钢绞线，OVM锚具，按部分预应力A类构件设计。
全桥奇数联预应力钢束采用通长钢束，张拉方式采用箱外两端张拉，而偶数联仅部分为双端张拉的通长束，其余均为边、中跨短束，锚固于箱梁内部。
二、主要病害及成因分析
1、主要病害
桥梁投入运行以后，在内外部因素的综合作用下，特别是长期受到重载交通影响，出现了一系列结构性的开裂问题和其他影响正常使用的病害状况。为了全面评估结构性能状况，在维修加固前对该桥进行了全面的外观检查、材质检测和桥梁静动载试验。桥梁主要病害情况如下所述。
（1）梁体开裂
全桥各联各跨箱梁正弯矩区段底板存在纵、横向裂缝，腹板存在竖向裂缝。除东幅桥第1联两边跨底板未见明显横向裂缝外，其余各联各跨底板均存在横向裂缝，裂缝分布较为规律，基本位于各跨的正弯矩区段。其中偶数联桥跨底板横向裂缝分布密集且裂缝数量众多，部分裂缝横向贯通底板，最大裂缝宽度达0.3mm。部分裂缝向腹板延伸，形成U型裂缝，呈现出明显的拉应力超标导致的结构性开裂特征。
总体上箱梁底板裂缝偶数联明显多于奇数联，边跨明显多于中跨；底板裂缝宽度偶数联较奇数联宽；腹板裂缝高度亦是偶数联较奇数联高。桥梁原设计为A类部分预应力混凝土结构，根据规范要求，不允许出现混凝土开裂，结构现状与设计状态严重不符。
（2）耐久性问题
伴随裂缝发展，部分裂缝位置受水汽侵蚀，存在混凝土泛碱、析白现象。全桥箱梁梁底跨中区域预应力筋下方有多处混凝土空洞、不密实，波纹管裸露。呈现出明显的耐久性退化现象。
（3）结构整体性能
荷载试验是通过对桥梁结构施加静、动力荷载作用，等效桥梁结构的最大设计荷载，测定各控制截面的应力、应变及变形等参数，对桥梁结构的整体性能进行评定。典型断面应变校验系数和挠度校验系数均大于1.0，超过规范要求，且受力性能接近钢筋混凝土结构，梁体内有效预应力显著不足；加载过程中，裂缝存在拓展发展现象，卸载后基本得到恢复，可以判断现有裂缝为结构性裂缝；动载试验实测一阶自振频率小于理论计算值，并且偶数联刚度明显低于奇数联，表明由于开裂的影响，结构实际刚度存在削弱现象。[1]
综上所述，基于多源数据结果进行综合判断，桥梁现状与设计状态严重不符，存在较多的影响结构正常使用和长期安全性能病害，亟需进行维修加固处理。
2、病害成因分析
结合加固前试验检测结果和施工过程中补充的专项检测结果，上述结构性病害的产生受内外两方面因素的影响。
（1）结构内因
①有效预应力不足。荷载试验结果表明，结构在等效设计荷载作用下，响应接近钢筋混凝土结构，梁体内的有效预应力明显不足。维修加固施工过程中，采取应力释放法和横张增量法对结构的永存预应力水平进行了验证。
应力释放法是通过开孔或者去除材料的中心部分来释放应变，测得应变释放区的应变变化，考虑材料的弹性性质和开口的几何尺寸影响来得到相应应力的方法。结合人孔开孔施工，采用钢筋应力释放法，测试了钢筋截断前后，释放区应变的变化情况。[2]
横张增量法是基于钢束的横向位移、钢束的预拉力、横向作用力和目标钢束测试长度四者之间的静力平衡关系，通过级差法消除测试误差影响后，可以获得钢绞线的有效张力。选择通长束跨中位置，利用横张增量法进行了有效预应力的直接测试。[3]
根据资料调研，原设计中偶数联桥跨短束多采用单端张拉方式，在预应力张拉过程时，混凝土龄期较短，锚具发生滑移现象。结合应力释放法和横张增量法测试结果，综合判断，结构实际永存预应力大约相当于设计值的70%。
②施工跑模。加固施工过程中，进入箱梁内部后发现部分桥跨施工过程中产生了严重的跑模现象，导致底板局部位置增厚严重，个别位置厚度达到70cm，结构恒载增重较多。
（2）环境外因
如前所述，本桥由于交通管控方面的因素影响，通行交通量大，且重载车辆占比高。根据交通调查统计，通行该桥的日均交通量可达2.5万辆，其中三轴及以上车辆占比约为47%。夜间该比例更高，存在货车集中通行的不利工况，并且部分车辆存在超载超限现象。结构长期处于重载交通作用下，进一步加剧了结构性损伤。
利用桥梁博士计算软件，建立全桥有限元分析模型，进行结构受力计算分析。考虑30%的预应力损失和跑模恒载增加后，结构正常使用极限状态短期效应（作用效应频遇组合）的应力包络计算结果如下图所示。
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经模拟分析，如果考虑30％预应力损失和跑模后的恒载增重后，箱梁下缘出现了3.1MPa的拉应力，超过C50混凝土允许拉应力1.83MPa，与当前的裂缝分布范围基本一致。
综上所述，由于结构抗力（有效预应力）的减小和恒载（结构跑模）、活载（重载交通）作用的增加，导致结构受力状态严重偏离设计预期，综合导致了桥梁结构性病害的产生。
三、加固方案
基于前述病害表现和成因分析，采取针对性的维修加固处治措施，加固目标是达到和恢复原设计标准。维修加固工作共分为三个目的：
1、目的1：提高结构的承载能力
鉴于病害的根本原因是预应力不足，增设体外预应力是解决该病害问题的最有效方法。箱内体外预应力施工要求对底板先行开设进人孔，进人孔处进行局部加强，并且横隔板钻孔通过钢束。体外索设计主要有以下技术特征：
①中跨单室内布置4束12根7Φ5环氧涂层钢绞线体外索，边跨单室布置8束12根7Φ5环氧涂层钢绞线体外索；
②体外索线形采用折线型，包括竖向（立面）和水平向（平面）弯曲，可以达到提高体外索工作效果和有利于结构受力的特点。
③体外索锚固遵循分散、避免集中、靠近腹板等原则；
④体外索在中墩处尽可能靠近顶板；
⑤体外索在中跨跨中区域的转向位置，设置钢桁架支架和转向器，利用钢桁架可以把体外索的效应传至腹板，可以降低体外索在竖向的作用高度，还可以通过钢桁架在纵桥向的位置，使得中跨有裂缝区域均有较高的压应力贡献。
⑥保留体外索工作长度，根据需要可进行补张拉。
2、目的2：恢复结构使用性能
①对梁体裂缝进行封闭处理：缝宽度≥0.15mm，做灌缝处理；凡裂缝宽度＜0.15mm，做封闭处理。
②在边、中跨箱梁底板底部的跨中范围粘贴1层碳纤维布，以补偿体外预应力的不足和后期可能产生的预应力松弛，同时补偿因漏水腐蚀而导致的构造钢筋截面减少。
3、目的3：提升结构的耐久性能
对加固结构底板及腹板外侧进行混凝土涂装处理，表面涂装按照长效型进行考虑。
四、加固效果分析
1、基于理论计算分析的加固效果评判
设计中充分考虑既有预应力损失、混凝土超方、重载车辆通行等不利状况进行包络设计。采取加固措施后，结构正常使用极限状态短期效应（作用效应频遇组合）的应力包络计算结果如下图所示。
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考虑最不利工况组合后，经过加固后，底板可能产生的最大拉应力为1.3MPa，满足部分预应力A类构件要求。
2、加固后荷载试验检测
对加固后桥梁进行了全面检测，其中动静载试验结果表明：典型断面应变校验系数和挠度校验系数均小于1.0，满足规范要求，梁体内有效预应力得到了明显补充；加载过程中，裂缝仍存在拓展发展现象，卸载后恢复；动载试验实测一阶自振频率较加固前有一定程度增加，表明由于结构开裂得到了有效闭合，结构实际刚度得到了一定程度的恢复。
五、结论
通过对本桥所采用加固技术进行系统性的总结和研究，可以进一步积累和提升相关经验，可作为类似桥梁加固维修的参考案例。主要工作成果和经验如下所述：
1）针对某预应力混凝土连续箱梁桥所出现的结构性开裂、耐久性退化等状况，综合采用体外预应力主动补强技术和粘贴碳纤维布被动式防护手段，主-被动相结合的加固措施取得了良好的加固效果。其中体外预应力加固技术，特别适用于有效预应力不足或预应力损失过大的桥梁加固。
2）本项目在实施过程中采用了设计施工总承包的模式，从项目管理的角度来看，该模式可以有效控制风险，更好的优化设计方案。对建设单位的成本把控和质量控制可以起到很好的作用。
3）有别于桥梁新建项目，针对桥梁的维修加固工作要树立动态检测、动态设计及动态施工的基本思想。由于待加固结构复杂的运营环境，以及掌握资料的时效性问题，导致结构现状可能会出现偏离预期的实际状态。因此无法完全通过理论的计算或预测达到精确预测的目的，需要树立动态检测、动态设计及动态施工的思想。需要及时跟踪桥梁病害发展情况，并根据需要进行动态调整。动态检测-动态设计-动态施工是动态调整的具体体现形式，也是精准养护实施的保障和必需手段。
参考文献
[] 吴建军，陈和，张启伟，等．现场桥梁静载试验评定与分析［J］．公路，2004(12) : 62－65．
[2] 冯朝勇, 刘大洋, 禹鹏. 混凝土应力释放法研究综述[J]. 交通运输研究, 2013(3):24-28.
[3] 郭琦, 贺拴海. 基于横张增量法的混凝土桥梁有效预应力检评技术研究[C]// 中国公路学会桥梁和结构工程分会全国桥梁学术会议. 2010.