病害报告7.18

预应力混凝土箱梁桥施工缺陷对病害影响分析报告

一、序言

预应力混凝土箱梁桥跨越能力大，受力合理，结构整体性好，造型美观，其投资比斜拉桥、悬索桥低，是一种极有竞争力的桥梁结构形式。对箱形截面来说，其主要优点为：抗弯、抗扭刚度大，整体性强；梁高小，可以是变高度，也可以是等高度；施工方法多样，如悬臂浇筑、预制拼装、顶推等；桥面接缝少、行车舒适、便于养护；外形美观。由于以上优越性，近年来我国修建了多座大跨径的预应力混凝土箱梁桥。但是在预应力混凝土箱梁桥的施工过程中，会因为种种因素使桥梁产生达不到预期的线形、桥梁裂缝过大、甚至部分节段梁体发生崩裂事故等缺陷。在这种情况下，就需要对这些施工中存在缺陷和病害的结构进行受力行为分析和研究，探索施工中缺陷在桥梁产生病害的影响分析，从而为以后桥梁加固方案选定和计算做出理论指导和依据。

但是，在该类桥梁施工过程中的现场情况和施工缺陷与理论计算模型相比存在差异，比如：施工荷载、预应力损失、混凝土收缩徐变、温度、湿度、时间、材料特性及结构尺寸等和理论取值存在差异，使得在施工过程中结构的受力及线形往往偏离理想状态。

在分析和处理带缺陷的预应力混凝土箱梁桥时会遇到一些参数识别和输入以及如何选取计算模型和边界条件等问题，这又给模拟分析带来了很大的麻烦，这些问题往往又控制着整个计算的准确和可信度，所以在分析由于各种原因产生了缺陷和病害的桥梁时，缺陷部分的处理和模拟十分重要。同时施工缺陷也直接影响到了运营中结构的裂缝和挠度的发展，所以对施工缺陷的模拟和分析十分必要。

此外在现阶段，我国的很多预应力混凝土箱梁桥已经或者即将进入到结构老化、出现病害的阶段。研究此类带有缺陷和病害的预应力混凝土箱梁桥的受力行为、运用有限元模拟结构的处理方式、各种缺陷对结构受力的影响程度以及各种施工缺陷对应出现的病害影响分析具有更为广泛的现实意义。

二、预应力混凝土箱梁研究的现状及发展动态

1、预应力混凝土箱梁桥施工中缺陷的文献综述

随着预应力混凝土箱梁桥跨径的不断增大, 预应力混凝土箱梁桥在施工的过程中存在各种的缺陷，这样也导致了桥梁在成桥和运营的过程中出现各种各样的病害。尤其在当今高速公路飞速发展的时代,预应力混凝土箱梁桥作为高速公路上的主力桥型,其安全性能必须得到充分的重视。

A大桥

51m+85m+51m预应力变截面连续刚构桥。桥梁全宽36.5m,分左右两半幅,单

幅宽16.25m。采用整体式断面,为单箱单室的变高度直腹板箱形梁,箱底曲线采用圆曲线。根部梁高4.8m,跨中2.2m,顶板宽16.25m,底板9m。主桥连续箱梁采用挂篮悬臂现浇法施工。在左半幅桥中跨合龙束全部张拉完成后,中跨箱梁底板混凝土出现了大面积崩落和脱空。箱梁底板在18m(纵向)×5m(横向)范围内出现了大面积崩落和脱空现象,中间无预应力束区域有一小块面积相对较好,无开裂与脱空现象,这说明底板混凝土破坏是由于预应力束张拉后产生的下崩力所致。

B大桥

47m+75m+47m三跨预应力混凝土变高度连续刚构桥,采用三向预应力体系的悬臂浇筑施工结构。上部结构为变截面的单箱单室截面,垂直腹板,单箱顶宽17m,底宽8.Om,翼板长4.5m,支点处梁高4.2m,跨中梁高2.0m,梁底按照1.5次抛物线变化。腹板变厚度40～50cm,底板变厚度25～50cm,仅支点处设置横隔板,采用C50混凝土。纵向预应力钢束采用ASTMA416-1998标准的高强低松弛270级中15.24mm钢绞线,标准强度fpk=1860MPa。其中中跨合龙段底板对称布置24个预应力孔道(包括2个备用孔道),孔道间距16cm,每束19根预应力钢绞线。主跨合龙段张拉完毕拆除底模时(未灌浆)听见混凝土破裂声,发现底板底部有纵向裂纹,并且呈发展趋势至。9#块(合龙段为10#),室内底板处也出现了通长裂缝,底板局部混凝土出现崩裂而脱落。在进行修复改造过程中,锯开主跨合龙段发现箱梁底板破坏主要集中在布置波纹管的位置,波纹管之间的混凝土竖向被拉断,底板内的上下两层钢筋网及其之间的混凝土已经崩开,进而造成底板和腹板交界处纵向裂缝,底板束以下的普通混凝土与上层混凝土崩离开,形成“两张皮”。

C大桥

65+3×100+65m五跨预应力混凝土连续箱梁，箱梁纵向采用变高度截面,l～4#墩支点处梁高5.5m,其两侧lm范围内为等高度截面,跨2～4跨中梁高2.5m。主桥箱梁采用50号混凝土。主桥箱梁采用双向预应力体系,即纵向预应力和竖向预应力,纵向为全预应力,竖向为部分预应力,横向无预应力。纵向预应力束采用24-Φ5的高强度钢丝,其标准强度Ryb=1600MPa,张拉控制力为588KN,锚具采用弗氏锚具。2001年5月,发现桥西侧第二孔箱梁下沉16.8cm，纵向预应力损失逐渐加大,对混凝土的压力减小。2002年5月，发现大桥下沉幅度不断增加,箱梁裂缝增多。该桥的竖向预应力钢筋一般长度较短,很小的锚固间隙也会使预应力明显减小。没有专门的设备和严格的施工控制,施工完成后的实际有效预应力可能仅为理论值的2/3甚至1/2。在长期运营过程中,车辆荷载对桥面的不断冲击,会导致钢筋锚头逐渐松动,竖向预应力因锚固变形而减少,使该桥的抗剪能力下降,主拉应力增大,箱梁两侧腹板出现了大量的斜剪裂缝。

D大桥

(73+112+150+150+90) m五跨预应力混凝土连续箱梁，箱梁设计为单箱单室断面，全桥分两幅，每幅桥面为单向2%的横坡。箱梁顶板宽12. 75m,底板宽7m。在57#,58#,59#墩顶处箱梁高为8.0m。在该桥左、右幅完成合龙后，对全桥线形顶板的厚度进行了测量，实际线形与理论现象有一定的偏差，这种偏差容易引起

局部产生折角。根据实测的主桥合拢后梁顶标高来看，主桥梁顶板起伏较大，大部分节段梁顶标高较设计值偏差较大，最大偏差出现在中跨跨中位置为5. 5cm。而主桥顶板厚度与理想状态下的厚度有一定的偏差，最大偏差6.5cm。造成这种病害的原因有挂篮变形量不稳定、挂篮支点松动、模板变形和连接不牢固等造成混凝土浇筑后箱梁实测高程与计算高程产生一定的偏差以及混凝土加载龄期、收缩徐变以及弹性模量变化的影响。由于在实际施工过程中，每一个节段箱梁混凝土浇筑后的加载龄期、环境温湿状况以及施工荷载不完全一致，表现出早期混凝土收缩徐变和弹性模量有一定变化，现场的混凝土收缩徐变发生模式与规范中的计算方法产生一定的偏差，目前收缩徐变的计算理论很难做到准确计算混凝土的收缩徐变量，从而引起合龙后的节段箱梁实测高程与计算高程产生一定的偏差。

2、预应力混凝土箱梁桥缺陷的研究现状

尽管预应力混凝土箱梁桥的发展前景广阔,但是当前的预应力混凝土箱梁桥的设计、建造和维护过程中也有一些问题有待解决。近年来,我国修建的多座预应力混凝土箱梁桥,出现了一些问题。在施工或营运过程中,有些桥梁的箱梁在顶板、腹板、底板、横隔板以及齿块等部位出现了各种不同形式的裂缝甚至崩块现象,这些裂缝的存在对结构的耐久性、安全性和正常使用产生了十分不利的影响。因此,探明箱梁结构裂缝产生的规律和形成机理并且得到各种缺陷的梁桥的模拟计算和各种缺陷对桥梁整体受力的影响程度无论是对桥梁的养护还是对新建桥的设计、施工都是十分必要的。

尤其是近年来,部分PC连续刚构桥在施工和运营过程中,由于各种原因出现了一些裂缝和底板崩裂现象有关学者、专家对其进行了分析研究。

包立新、杨广来和杨文军分析了一座主跨170m的连续刚构桥底板混凝土向下崩裂的原因。该桥箱梁底板宽8.5m,主跨跨中底板厚度为28cm,底板钢筋网间设置间距为45cm×45cm的直径为12mm的箍筋,在施工过程中底板混凝土向下崩出,预应力钢筋下移。分析认为底板混凝土崩裂的主要原因:是由于底板纵向预应力钢筋在竖直面内布置为抛物线形的曲线,纵向预应力筋张拉后产生了向弧心的径向力,径向力主要由箍筋承受,而箍筋间距为45cm,间距过大,箍筋应力超限,底板上下层钢筋网被撕开,导致底板混凝土向下崩出。建议在主跨跨中设置横隔板,跨中合龙段箍筋间距采用20cm。

王仁贵、吴伟胜和庞颂贤也认为,由于箱梁截面高度的变化,底板预应力钢束随之产生径向附加力q,q=P/R,P为有效预加力,R为预应力钢束的曲率半径,钢束弯曲产生的径向力使预应力管道下缘混凝土承受径向荷载作用,底板混凝土可能崩裂,建议底板设计采用大吨位束、单层布束,钢束中心距离底板下缘不小于10cm。

宋雨、项贻强、徐兴和朱益民对一座46.8m+72m+46.8m预应力混凝土v形墩连续刚构桥底板纵向裂缝进行了分析。该桥采用双箱双室截面,跨中梁高为1.8m,边跨和中跨跨中底板厚度均为24cm。成桥后,发现在主跨和边跨跨中箱梁底部存在长度不等但范围较广的纵向裂缝,裂缝最大宽度约为0.25mm。分析认为底板纵