連續(xù)剛構(gòu)橋是目前大跨徑橋梁最常用的形式之一，具有跨越能力大，伸縮縫少、平順度好，行車(chē)舒適，施工無(wú)體系轉(zhuǎn)換，無(wú)需大型支座，順橋向抗彎、橫橋向抗扭剛度大，順橋向抗推剛度小，能充分適應(yīng)溫度、混凝土收縮徐變、地震的影響等特點(diǎn)。這種橋型在全國(guó)范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和迅速推廣，特別適合于跨越深水、深谷、大河、急流的橋位。然而近年來(lái)，連續(xù)剛構(gòu)橋梁在施工過(guò)程中，屢屢出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力張拉導(dǎo)致底板被拉崩、拉裂等事故，不由得讓我們對(duì)這種橋型的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生擔(dān)心。這種病害是如何發(fā)生的、如何有效地避免病害發(fā)生，以及對(duì)已經(jīng)發(fā)生病害的橋梁如何采取措施進(jìn)行加固處治，就成為我們橋梁工作者應(yīng)該面對(duì)并思考的問(wèn)題，因此本文引用位于云南富寧至廣南高速公路的兩座連續(xù)剛構(gòu)橋梁對(duì)病害進(jìn)行分析研究，并提出加固處治措施，旨在對(duì)類(lèi)似工程實(shí)施起拋磚引玉之用。
一、工程概況
本文引用的兩座特大橋（以下簡(jiǎn)稱(chēng)A橋和B橋）都是某高速公路的重點(diǎn)控制工程，主橋上部均為65+110+65米的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。
兩座橋梁上部結(jié)構(gòu)形式基本相同，箱梁根部高度6.5m，跨中高度2.5m，根部底板厚70cm，跨中底板厚28cm，頂寬12m，底寬6m。箱梁澆筑分段長(zhǎng)度依次為：19m長(zhǎng)0號(hào)段+5×3.5m+6×4.5m，邊、中跨合攏段長(zhǎng)均采用2m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)9m。主橋上部構(gòu)造按全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)，采用三向預(yù)應(yīng)力。
現(xiàn)A橋邊中跨均已合攏，已合攏跨底板鋼束全部張拉完畢，并已灌漿封錨。在質(zhì)量檢查中發(fā)現(xiàn)中跨11號(hào)梁段底板混凝土有拉崩現(xiàn)象，底板部分劈裂、破損。具體表現(xiàn)在：①區(qū)剝落混凝土厚度h=1.5～4cm，剝落砼底面到剝落后底面h=6～9cm，鋼筋剝離混凝土距離d=1～6cm；②區(qū)剝落砼厚度h=3～12cm，剝落砼底面到剝落后梁底h=6～11cm，鋼筋剝離混凝土距離d=1～6.5cm。
圖1中跨11號(hào)梁段底板整塊劈裂、破損
B橋在交驗(yàn)檢查中發(fā)現(xiàn)中跨10號(hào)段梁底兩側(cè)及中間有橫斜向裂縫，崩裂0.1～3mm寬。左側(cè)邊緣至2.2m范圍有裂縫7條左右，右側(cè)邊緣至1.5m范圍有裂縫5條左右，左側(cè)延伸至9號(hào)段1.2m長(zhǎng)，右側(cè)延伸至9號(hào)節(jié)段0.7m長(zhǎng)。
二、原結(jié)構(gòu)整體受力分析
建模前首先對(duì)橋梁整個(gè)施工階段進(jìn)行劃分：
1、橋墩施工完成后，在支架（或托架）現(xiàn)澆0號(hào)梁段；待混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%后,張拉頂板T1、腹板W1鋼束及橫向、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。
2、安裝懸臂施工掛籃；在掛籃上對(duì)稱(chēng)現(xiàn)澆1號(hào)梁段，張拉頂板T2、腹板W2鋼束及橫向、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束；掛籃前移。重復(fù)以上施工步驟，直至張拉完成相應(yīng)頂板及腹板鋼束。
3、拆除懸臂施工掛籃，安裝邊跨合攏吊架，安裝合攏段支撐鋼管，現(xiàn)澆合攏段混凝土；張拉邊跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束。
4、安裝中跨合攏吊架，安裝合攏段支撐鋼管，澆注合攏段混凝土；張拉中跨底板預(yù)應(yīng)力鋼束。
5、橋面系施工。
根據(jù)橋梁施工各工況，共安排了54個(gè)計(jì)算階段，其中53個(gè)為施工階段，1個(gè)為使用階段。
經(jīng)過(guò)建模計(jì)算，對(duì)跨中崩裂梁段的應(yīng)力進(jìn)行了摘錄，主要摘錄了三個(gè)關(guān)鍵階段的受力結(jié)果：箱梁合攏階段、成橋階段以及最不利荷載組合工況。箱梁控制截面最大、最小應(yīng)力見(jiàn)表1。
表1 控制截面最大、最小應(yīng)力表
階段
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截面
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上緣（MPa）
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下緣（MPa）
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max
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min
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max
|
min
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箱梁合攏階段
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邊跨L/2
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4.29
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8.67
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次邊支點(diǎn)
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7.52
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6.74
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中跨L/8
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8.23
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4.97
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中跨L/4
|
7.22
|
5.60
|
中跨3L/8
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6.19
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11.88
|
中跨L/2
|
4.97
|
11.80
|
成橋階段
|
邊跨L/2
|
5.27
|
6.69
|
次邊支點(diǎn)
|
6.34
|
8.00
|
中跨L/8
|
6.83
|
6.54
|
中跨L/4
|
6.59
|
6.22
|
中跨3L/8
|
6.89
|
10.10
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中跨L/2
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6.85
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7.29
|
最不利荷載組合
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邊跨L/2
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8.18
|
4.12
|
8.47
|
2.07
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次邊支點(diǎn)
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7.21
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4.65
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9.85
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7.06
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中跨L/8
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7.96
|
4.68
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9.09
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5.22
|
中跨L/4
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8.47
|
4.70
|
8.75
|
3.72
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中跨3L/8
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9.88
|
5.35
|
12.37
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5.48
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中跨L/2
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10.75
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5.50
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9.32
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1.22
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結(jié)合計(jì)算結(jié)果，在最不利荷載組合下跨中底板最大壓應(yīng)力值為12.37MPa，在最不利荷載組合下跨中底板最小壓應(yīng)力為1.22MPa。可見(jiàn)，設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果能夠滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)要求。
三、原結(jié)構(gòu)局部受力分析
本橋中跨跨中附近梁段，底板布置了20根19φs15.2鋼絞線(xiàn)，鋼絞線(xiàn)設(shè)計(jì)錨下控制張拉應(yīng)力1395Mpa，經(jīng)理論計(jì)算分析，在跨中附近區(qū)段，鋼絞線(xiàn)的有效張拉應(yīng)力約為1255.5Mpa,底板預(yù)應(yīng)力鋼束彎曲半徑為800米，據(jù)此，每根鋼絞線(xiàn)對(duì)跨中底板產(chǎn)生的徑向力為4.175kN/m，即在此區(qū)段內(nèi)，每個(gè)斷面跨中底板作用著由鋼束產(chǎn)生的83.5kN/m的等效荷載，這組荷載的直接效應(yīng)就是對(duì)箱梁的底板產(chǎn)生彈性?xún)?nèi)力。箱梁底板鋼束產(chǎn)生徑向力示意如圖。
采用空間結(jié)構(gòu)分析程序?qū)υ摌虺霈F(xiàn)病害梁段進(jìn)行建模分析，建模如圖。右幅中跨11梁段底板混凝土已經(jīng)拉崩，在計(jì)算中不考慮橫肋的作用。邊界條件按實(shí)際受力狀況進(jìn)行模擬，預(yù)應(yīng)力采用等效荷載法按照各箱梁節(jié)段的順橋向長(zhǎng)度，沿著對(duì)應(yīng)預(yù)應(yīng)力鋼束位置處的各節(jié)點(diǎn)施加豎向均布荷載，該荷載即為預(yù)應(yīng)力張拉所產(chǎn)生的徑向力。計(jì)算荷載時(shí)，充分考慮預(yù)應(yīng)力的損失，并對(duì)恒、活載產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行疊代。
經(jīng)過(guò)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖2、3。在底板預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力作用下，合攏段處底板最大豎向拉應(yīng)力發(fā)生在倒角附近，應(yīng)力值為0.75MPa，合攏段處底板最大橫向拉應(yīng)力發(fā)生在底板底層，應(yīng)力值為1.2MPa。
圖2 加固前豎向拉應(yīng)力圖 圖3 加固前橫向拉應(yīng)力圖
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可知崩裂區(qū)域箱梁底板縱向應(yīng)力較大，箱梁底板處于高壓應(yīng)力狀態(tài)。局部分析表明，倒角處豎向拉應(yīng)力為0.75Mpa，底板底層橫向拉應(yīng)力為1.2Mpa，如果考慮普通鋼筋的作用，底板似乎不大可能出現(xiàn)此種病害，但根據(jù)該橋設(shè)計(jì)圖紙（見(jiàn)圖4），N17號(hào)倒角鋼筋未與底板鋼筋進(jìn)行連接，造成倒角鋼筋失效，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，在底板崩裂區(qū)域，底板頂、底層的連接鋼筋N12數(shù)量很少，且布置很不合理。將兩種因素綜合考慮，可知底板崩裂及破損是必然的。
圖4箱梁跨中梁段鋼筋分布圖
四、加固處治措施
（一）A橋加固
考慮到結(jié)構(gòu)的安全和施工的方便，經(jīng)過(guò)多方案的計(jì)算比選，決定采用在箱梁底板增設(shè)橫向肋，并增設(shè)預(yù)應(yīng)力防崩鋼筋的方法進(jìn)行加固。為了保證底板在鑿除過(guò)程中的安全性，采用在跨中進(jìn)行配重來(lái)降低跨中底板的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。對(duì)箱梁破壞梁段增設(shè)橫肋來(lái)加強(qiáng)底板的剛度，改善底板的受力狀況。在橫肋內(nèi)設(shè)置U型鋼筋兜住預(yù)應(yīng)力管道，使橫肋來(lái)承擔(dān)箱梁底板鋼束的徑向力，如圖5。
圖5增設(shè)底板橫向加勁肋示意圖
?。ǘ〣橋加固
B橋在發(fā)生病害之前已經(jīng)在箱梁內(nèi)增設(shè)了少量橫肋，該橋病害較A橋輕也與此有關(guān)，但仍出現(xiàn)裂縫等病害，分析其原因可能是新增橫肋時(shí)施工不當(dāng)，橫肋與原橋底板之間未有效連接，造成協(xié)同受力不充分。因此決定采用在箱梁節(jié)段內(nèi)增設(shè)鋼橫梁并張拉精軋螺紋鋼筋加強(qiáng)橫向肋的方式進(jìn)行箱梁底板加強(qiáng)，這種方法能夠使已有的橫肋抵抗防崩鋼筋的作用得到恢復(fù)，同時(shí)也增強(qiáng)了局部結(jié)構(gòu)的剛度，如圖6。
圖6鋼橫梁加固底板示意圖
五、加固后局部受力分析
（一）A橋加固
采用在箱梁節(jié)段內(nèi)增設(shè)橫向肋的方式進(jìn)行箱梁底板加強(qiáng)，對(duì)加肋后箱梁底板的應(yīng)力情況進(jìn)行建模計(jì)算分析。模型如圖7。
圖7 有限元整體計(jì)算模型
結(jié)果表明，增設(shè)橫向肋后，箱梁底板應(yīng)力有所降低，箱梁底板倒角最大拉應(yīng)力為0.4MPa，箱梁橫向拉應(yīng)力為0.6MPa，較加固前的應(yīng)力降低幅度約為40%，且均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求（見(jiàn)圖8、9）。表明增設(shè)橫向肋后，起到了降低底板混凝土拉應(yīng)力、防止底板開(kāi)裂的作用，且橫肋內(nèi)設(shè)置了連接底板底層橫向鋼筋的箍筋，使橫肋能夠與底板協(xié)同受力，整體性大大加強(qiáng)。
圖8 豎向拉應(yīng)力圖 圖9 橫向拉應(yīng)力圖
?。ǘ〣橋加固
采用在箱梁節(jié)段內(nèi)增設(shè)鋼橫梁并張拉精軋螺紋鋼筋加強(qiáng)橫向肋的方式進(jìn)行箱梁底板加強(qiáng)，這種方法能夠使已有的橫肋抵抗防崩鋼筋的作用得到恢復(fù)，因此，計(jì)算中考慮橫肋的作用。模型如圖10。
圖10 有限元整體計(jì)算模型
結(jié)果表明，增設(shè)橫向肋后，箱梁底板倒角最大拉應(yīng)力為0.40MPa，箱梁橫向拉應(yīng)力為0.55MPa，較加固前的應(yīng)力降低幅度約為50%，且均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求（見(jiàn)圖11、12）。表明增設(shè)鋼橫梁并張拉精軋螺紋鋼筋加強(qiáng)橫向肋后，能夠起到降低底板混凝土拉應(yīng)力、防止底板崩裂的作用。每個(gè)橫肋處箱梁底板設(shè)置兩道鋼橫梁（共計(jì)四片）。經(jīng)計(jì)算，在最不利荷載組合下，鋼橫梁下緣最大拉應(yīng)力為80.2MPa，小于鋼橫梁的容許應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。
圖11 豎向拉應(yīng)力圖 圖12 橫向拉應(yīng)力圖
六、結(jié)論與建議
連續(xù)剛構(gòu)橋梁在施工過(guò)程中出現(xiàn)拉崩、開(kāi)裂等病害的情況相當(dāng)普遍，目前已受到多方關(guān)注。本文以某高速公路上的兩座剛構(gòu)橋的病害及加固方法作為范例進(jìn)行闡述，在完成這個(gè)項(xiàng)目的過(guò)程中，筆者有如下幾點(diǎn)體會(huì)：
1、設(shè)計(jì)要注重細(xì)節(jié)且應(yīng)考慮全面。上述兩橋均設(shè)置了底板倒角鋼筋，但倒角鋼筋長(zhǎng)度明顯不足，不能鉤住底板底層的橫向鋼筋，僅起到構(gòu)造上的要求，不能使整個(gè)底板協(xié)同受力，在預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的徑向力作用下勢(shì)必會(huì)沿應(yīng)力較大方向崩裂。
2、加強(qiáng)施工管理。施工單位應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工，在上述兩橋的施工現(xiàn)場(chǎng)可以看到連接底板頂、底層鋼筋的連接鋼筋明顯不足，甚至局部缺失，這也是造成底板混凝土被崩裂、破損的重要原因。
3、加固措施應(yīng)做到可行、合理。橋梁加固工作往往針對(duì)已經(jīng)建好的橋梁，上述兩橋的事故也是在橋梁竣工驗(yàn)收時(shí)發(fā)生的。此時(shí)，預(yù)應(yīng)力已經(jīng)張拉灌漿完畢，重新更換預(yù)應(yīng)力鋼束已不可能，因此在結(jié)構(gòu)計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)病害情況采取切實(shí)可行的方案，既能做到方便施工，又能徹底解決橋梁病害隱患。目前加固工作已經(jīng)完成，加固效果良好。
我們橋梁工作者應(yīng)該認(rèn)真分析和總結(jié)病害原因，找出癥結(jié)所在，從而改善設(shè)計(jì)、嚴(yán)格施工，避免以后出現(xiàn)類(lèi)似事故。
