连续刚构桥底板崩裂成因及加固技术
连续刚构桥是目前大跨径桥梁最常用的形式之一，具有跨越能力大，伸缩缝少、平顺度好，行车舒适，施工无体系转换，无需大型支座，顺桥向抗弯、横桥向抗扭刚度大，顺桥向抗推刚度小，能充分适应温度、混凝土收缩徐变、地震的影响等特点。这种桥型在全国范围内得到了广泛的应用和迅速推广，特别适合于跨越深水、深谷、大河、急流的桥位。然而近年来，连续刚构桥梁在施工过程中，屡屡出现预应力张拉导致底板被拉崩、拉裂等事故，不由得让我们对这种桥型的实际应用产生担心。这种病害是如何发生的、如何有效地避免病害发生，以及对已经发生病害的桥梁如何采取措施进行加固处治，就成为我们桥梁工作者应该面对并思考的问题，因此本文引用位于云南富宁至广南高速公路的两座连续刚构桥梁对病害进行分析研究，并提出加固处治措施，旨在对类似工程实施起抛砖引玉之用。
一、工程概况
本文引用的两座特大桥（以下简称A桥和B桥）都是某高速公路的重点控制工程，主桥上部均为65+110+65米的预应力混凝土连续刚构。
两座桥梁上部结构形式基本相同，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，顶宽12m，底宽6m。箱梁浇筑分段长度依次为：19m长0号段+5×3.5m+6×4.5m，边、中跨合拢段长均采用2m，边跨现浇段长9m。主桥上部构造按全预应力混凝土设计，采用三向预应力。
现A桥边中跨均已合拢，已合拢跨底板钢束全部张拉完毕，并已灌浆封锚。在质量检查中发现中跨11号梁段底板混凝土有拉崩现象，底板部分劈裂、破损。具体表现在：①区剥落混凝土厚度h=1.5～4cm，剥落砼底面到剥落后底面h=6～9cm，钢筋剥离混凝土距离d=1～6cm；②区剥落砼厚度h=3～12cm，剥落砼底面到剥落后梁底h=6～11cm，钢筋剥离混凝土距离d=1～6.5cm。
图1中跨11号梁段底板整块劈裂、破损
B桥在交验检查中发现中跨10号段梁底两侧及中间有横斜向裂缝，崩裂0.1～3mm宽。左侧边缘至2.2m范围有裂缝7条左右，右侧边缘至1.5m范围有裂缝5条左右，左侧延伸至9号段1.2m长，右侧延伸至9号节段0.7m长。
二、原结构整体受力分析
建模前首先对桥梁整个施工阶段进行划分：
1、桥墩施工完成后，在支架（或托架）现浇0号梁段；待混凝土强度达到90%后,张拉顶板T1、腹板W1钢束及横向、竖向预应力钢束。
2、安装悬臂施工挂篮；在挂篮上对称现浇1号梁段，张拉顶板T2、腹板W2钢束及横向、竖向预应力钢束；挂篮前移。重复以上施工步骤，直至张拉完成相应顶板及腹板钢束。
3、拆除悬臂施工挂篮，安装边跨合拢吊架，安装合拢段支撑钢管，现浇合拢段混凝土；张拉边跨底板预应力钢束。
4、安装中跨合拢吊架，安装合拢段支撑钢管，浇注合拢段混凝土；张拉中跨底板预应力钢束。
5、桥面系施工。
根据桥梁施工各工况，共安排了54个计算阶段，其中53个为施工阶段，1个为使用阶段。
经过建模计算，对跨中崩裂梁段的应力进行了摘录，主要摘录了三个关键阶段的受力结果：箱梁合拢阶段、成桥阶段以及最不利荷载组合工况。箱梁控制截面最大、最小应力见表1。
表1 控制截面最大、最小应力表
结合计算结果，在最不利荷载组合下跨中底板最大压应力值为12.37MPa，在最不利荷载组合下跨中底板最小压应力为1.22MPa。可见，设计计算结果能够满足运营要求。
三、原结构局部受力分析
本桥中跨跨中附近梁段，底板布置了20根19φs15.2钢绞线，钢绞线设计锚下控制张拉应力1395Mpa，经理论计算分析，在跨中附近区段，钢绞线的有效张拉应力约为1255.5Mpa,底板预应力钢束弯曲半径为800米，据此，每根钢绞线对跨中底板产生的径向力为4.175kN/m，即在此区段内，每个断面跨中底板作用着由钢束产生的83.5kN/m的等效荷载，这组荷载的直接效应就是对箱梁的底板产生弹性内力。箱梁底板钢束产生径向力示意如图。
采用空间结构分析程序对该桥出现病害梁段进行建模分析，建模如图。右幅中跨11梁段底板混凝土已经拉崩，在计算中不考虑横肋的作用。边界条件按实际受力状况进行模拟，预应力采用等效荷载法按照各箱梁节段的顺桥向长度，沿着对应预应力钢束位置处的各节点施加竖向均布荷载，该荷载即为预应力张拉所产生的径向力。计算荷载时，充分考虑预应力的损失，并对恒、活载产生的应力进行叠代。
经过计算，结果见图2、3。在底板预应力钢束径向力作用下，合拢段处底板最大竖向拉应力发生在倒角附近，应力值为0.75MPa，合拢段处底板最大横向拉应力发生在底板底层，应力值为1.2MPa。
图2 加固前竖向拉应力图 图3 加固前横向拉应力图
根据计算结果，可知崩裂区域箱梁底板纵向应力较大，箱梁底板处于高压应力状态。局部分析表明，倒角处竖向拉应力为0.75Mpa，底板底层横向拉应力为1.2Mpa，如果考虑普通钢筋的作用，底板似乎不大可能出现此种病害，但根据该桥设计图纸（见图4），N17号倒角钢筋未与底板钢筋进行连接，造成倒角钢筋失效，同时根据现场考察发现，在底板崩裂区域，底板顶、底层的连接钢筋N12数量很少，且布置很不合理。将两种因素综合考虑，可知底板崩裂及破损是必然的。
图4箱梁跨中梁段钢筋分布图
四、加固处治措施
（一）A桥加固
考虑到结构的安全和施工的方便，经过多方案的计算比选，决定采用在箱梁底板增设横向肋，并增设预应力防崩钢筋的方法进行加固。为了保证底板在凿除过程中的安全性，采用在跨中进行配重来降低跨中底板的压应力储备。对箱梁破坏梁段增设横肋来加强底板的刚度，改善底板的受力状况。在横肋内设置U型钢筋兜住预应力管道，使横肋来承担箱梁底板钢束的径向力，如图5。
图5增设底板横向加劲肋示意图
（二）B桥加固
B桥在发生病害之前已经在箱梁内增设了少量横肋，该桥病害较A桥轻也与此有关，但仍出现裂缝等病害，分析其原因可能是新增横肋时施工不当，横肋与原桥底板之间未有效连接，造成协同受力不充分。因此决定采用在箱梁节段内增设钢横梁并张拉精轧螺纹钢筋加强横向肋的方式进行箱梁底板加强，这种方法能够使已有的横肋抵抗防崩钢筋的作用得到恢复，同时也增强了局部结构的刚度，如图6。
图6钢横梁加固底板示意图
五、加固后局部受力分析
（一）A桥加固
采用在箱梁节段内增设横向肋的方式进行箱梁底板加强，对加肋后箱梁底板的应力情况进行建模计算分析。模型如图7。
图7 有限元整体计算模型
结果表明，增设横向肋后，箱梁底板应力有所降低，箱梁底板倒角最大拉应力为0.4MPa，箱梁横向拉应力为0.6MPa，较加固前的应力降低幅度约为40%，且均满足设计规范要求（见图8、9）。表明增设横向肋后，起到了降低底板混凝土拉应力、防止底板开裂的作用，且横肋内设置了连接底板底层横向钢筋的箍筋，使横肋能够与底板协同受力，整体性大大加强。
图8 竖向拉应力图 图9 横向拉应力图
（二）B桥加固
采用在箱梁节段内增设钢横梁并张拉精轧螺纹钢筋加强横向肋的方式进行箱梁底板加强，这种方法能够使已有的横肋抵抗防崩钢筋的作用得到恢复，因此，计算中考虑横肋的作用。模型如图10。
图10 有限元整体计算模型
结果表明，增设横向肋后，箱梁底板倒角最大拉应力为0.40MPa，箱梁横向拉应力为0.55MPa，较加固前的应力降低幅度约为50%，且均满足设计规范要求（见图11、12）。表明增设钢横梁并张拉精轧螺纹钢筋加强横向肋后，能够起到降低底板混凝土拉应力、防止底板崩裂的作用。每个横肋处箱梁底板设置两道钢横梁（共计四片）。经计算，在最不利荷载组合下，钢横梁下缘最大拉应力为80.2MPa，小于钢横梁的容许应力，满足规范要求。
图11 竖向拉应力图 图12 横向拉应力图
六、结论与建议
连续刚构桥梁在施工过程中出现拉崩、开裂等病害的情况相当普遍，目前已受到多方关注。本文以某高速公路上的两座刚构桥的病害及加固方法作为范例进行阐述，在完成这个项目的过程中，笔者有如下几点体会：
1、设计要注重细节且应考虑全面。上述两桥均设置了底板倒角钢筋，但倒角钢筋长度明显不足，不能钩住底板底层的横向钢筋，仅起到构造上的要求，不能使整个底板协同受力，在预应力张拉产生的径向力作用下势必会沿应力较大方向崩裂。
2、加强施工管理。施工单位应严格按照设计图纸进行施工，在上述两桥的施工现场可以看到连接底板顶、底层钢筋的连接钢筋明显不足，甚至局部缺失，这也是造成底板混凝土被崩裂、破损的重要原因。
3、加固措施应做到可行、合理。桥梁加固工作往往针对已经建好的桥梁，上述两桥的事故也是在桥梁竣工验收时发生的。此时，预应力已经张拉灌浆完毕，重新更换预应力钢束已不可能，因此在结构计算的基础上，根据病害情况采取切实可行的方案，既能做到方便施工，又能彻底解决桥梁病害隐患。目前加固工作已经完成，加固效果良好。
我们桥梁工作者应该认真分析和总结病害原因，找出症结所在，从而改善设计、严格施工，避免以后出现类似事故。
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