预应力混凝土连续桁梁刚构桥裂缝分析及加固

毛建平，唐赓，蒙方成，覃乐勤，潘观赐

(1.广西交通设计集团有限公司, 广西 南宁 530011；2.广西交通工程检测有限公司)

1 桥梁概况

某预应力混凝土连续桁梁刚构桥于1995年7月通车，全桥长785.5 m，跨径组成为19×16 m+(60 m+3×100 m+60 m)+3×16 m。主桥为双层桥面预应力混凝土连续桁梁刚构桥，中跨跨中设摆柱铰；桥面横向全宽采用两纵向桁片支承联结，高度6.35 m，两纵向桁片通过横向安装行车道、人行道板、横向桥面钢筋网和施加横向预应力钢筋联成整体；上弦杆为U形断面，下弦杆为带缺口矩形断面；靠近桥墩处设弦下斜杆和弦下竖杆与下弦杆固结。主墩为四桩式高桩桥墩。桥梁设计荷载等级：汽车-超20级、挂车-120，人群荷载3.5 kN/m2。

2 病害概况

桥梁维修加固前最近一次检测结果表明：弦下斜杆、弦下竖杆与下弦杆的相交处(下文简称“三角区”，见图1中“裂缝开展部位1～8”)，出现较为典型的裂缝。裂缝主要分为两类：① 弦下斜杆与下弦杆结合面处开裂，该类裂缝宽度大，伴随渗水和局部剥落露筋等情况；② 沿弦下斜杆向下发展的斜向裂缝。两类裂缝宽度均超过了规范规定的限值，裂缝分布示意见图1，部分严重裂缝开裂部位及描述见表1，裂缝数量汇总统计见表2，典型裂缝照片见图2。

图2 典型裂缝照片

表1 部分严重裂缝开裂部位及描述

表2 主桥三角区裂缝病害汇总

图1 桥梁立面图(单位：cm)

3 病害专项检测及分析

3.1 专项检测

根据外观检测结果，主桥右侧桁片下弦杆与弦下斜杆交接面开裂贯通，裂缝宽度达5 cm；部分拱上竖杆出现全截面开裂，最大裂缝宽度达15 mm，已发生结构性破坏，存在杆件失稳倾向。桥梁管理部门及时封闭了该桥交通，并组织了桥梁专项检测工作。

为进一步确定桥梁实际受力及实际承载能力状况，对桥梁进行静动载试验，在测试结构整体变形及关键构件应变的同时，针对下弦杆与弦下斜杆交接面开裂等病害，在裂缝区布置了大量的传感器，监测试验过程裂缝的开展状况。

荷载试验结果表明：① 各静载试验工况下，三角区裂缝开展明显，实测裂缝开展最大值为0.10 mm，表明裂缝受荷载影响较大，影响结构整体受力性能；② 各静载试验工况下，主桥三角区下弦杆与弦下斜杆交接面处存在明显相对纵向位移，最大值0.13 mm，表明该处结构损伤严重，连接刚度出现较大削弱，承载力明显下降;③ 卸载后，主桥三角区典型裂缝缝宽未能恢复至加载前状态，相对残余存在大于20%的情况，最大达50.0%，说明部分裂缝测点处结构已不处于弹性工作状态。

3.2 病害成因分析

综合此次专项检测结果和历年定期检测报告，结合几年来桥梁的运营状况，分析其病因如下：

(1)桥上交通日益繁忙，过桥重车明显增多。

根据收集到的该桥周边观测站1、2、3的交通量状况，观测站1在2015年交通量观测量为10 241 pcu/d，交通量构成中，客货车的比例为3.31∶1(自然数)，货车低于客车；观测站2在2015年交通量观测量为12 927 pcu/d，交通量构成中，客货车的比例为1.98∶1(自然数)，货车低于客车；观测站3在2015年交通量观测量为14 400 pcu/d，交通量构成中，客货车的比例为0.89∶1(自然数)，货车高于客车。随着各大工业园区的崛起，货物、商品、人员流通不断增长，该桥上交通日益繁忙，过桥重车明显增多，是导致桥梁病害发展的直接原因。

(2)混凝土桁架桥结构轻盈，存在整体刚度小的缺陷，随着经济的飞速发展，交通量的逐年增加，该类桥梁易出现病害。

混凝土桁架桥是继双曲拱桥结构之后发展起来的一种新的轻型桥梁，它具有施工简便、质量轻、造价低、外形美观等特点，深受桥梁设计者的青睐，20世纪80年代起，在中国范围内得到推广和应用。随着经济的飞速发展，交通量的逐年增加，该类桥梁整体刚度小的缺陷也渐渐表现出来，桥梁易出现裂缝等病害，影响桥梁的正常运营。

(3)三角区为弦下斜杆、下弦杆及竖杆的相交点，结构受力较集中，应力分布复杂，在超载情况下容易发生开裂。

根据2012年检测报告，三角区已存在裂缝，弦下竖杆、弦下斜杆未见明显的受力裂缝。经过几年的运营，2017年检测发现22号跨22号墩处右侧三角区病害较严重，三角区短竖杆出现斜裂缝，结构出现相对错动；其余三角区病害均表现为混凝土开裂，结构并未出现错动迹象，疑为施工时三角区先后浇筑混凝土因龄期差异、收缩徐变等引起的新旧混凝土结合面开裂，在超载作用下，容易造成裂缝进一步扩大。弦下斜杆与下弦杆交接处节点刚度受到严重削弱后，桥梁结构发生内力重分布，导致弦下竖杆出现受力裂缝，弦下竖杆发生破坏性损伤，危及桥梁整体结构安全。

4 加固设计及效果验证

根据检测报告，主桥弦下斜杆与下弦杆交接面普遍存在裂缝，最大缝宽达5.0 cm。经综合比选，最终确定采用外包混凝土结合外包钢板进行增大截面加固，恢复三角区节点刚度，通过植筋、对拉精轧螺纹钢筋来增强新旧混凝土结合的方法进行加固。加固示意见图3。

图3 三角区加固示意图(单位：cm)

选择主桥3号跨3号墩右桁片弦下斜杆与下弦杆交接处三角区，采用大型通用有限元软件Ansys建立实体有限元子模型，用Solid45模拟原结构混凝土，用Link10模拟原结构预应力钢束和加固精轧螺纹钢，用Solid65模拟外包混凝土，用Shell63模拟竖杆、斜杆的加固钢板和三角区加固混凝土的侧面外包钢板。在每一分析工况下节点区受力平衡，节点区子结构分析模型总计截断7根杆件，从全桥模型中提取竖杆、斜杆、水平弦杆截断处(6处)的内力(弯矩、剪力、轴力)并施加于子模型，在弦下斜杆截断处施加固定约束。此次计算总计16 728个Solid45实体单元，830个Link10杆单元，4 056个Shell63壳单元，8 716个Solid65实体单元，总计29 729个节点。弦下斜杆与下弦杆交接面存在裂缝，最大缝宽达5.0 cm，在实施三角区外包混凝土加固前，先用裂缝补强材料进行灌缝补强，结构分析时偏保守地把交接面5 cm厚的单元材料弹性模量乘以折减系数0.01。三角区结构离散见图4。

图4 三角区结构离散图

4.1 恒载作用下三角区结构分析

恒载作用下外包混凝土应力计算结果见图5、6。

由图5、6可见：

图5 外包混凝土主拉应力(单位：Pa)

(1)恒载作用下外包混凝土主拉应力最大值为4.51 MPa，发生在三角区尾部弦下斜杆与下弦杆交接处倒角处。

(2)恒载作用下外包混凝土主压应力最大值为-8.48 MPa，发生在三角区后端外包混凝土与弦下斜杆相接处，主压应力最大值小于C50轴心抗压强度标准值(-32.4 MPa)。

图6 外包混凝土主压应力(单位：Pa)

4.2 恒载与活载标准组合作用下三角区结构分析

当弦下斜杆轴力最大时，弦下斜杆与下弦杆交接面的水平方向分力最大，对外包混凝土受力最不利。对弦下斜杆轴力最大工况进行计算，外包混凝土应力分布见图7、8，加固钢板Von Mises应力分布见图9。

图7 混凝土主拉应力(单位：Pa)

图8 混凝土主压应力(单位：Pa)

图9 加固钢板Von Mises应力(单位：Pa)

由图7～9可见：

(1)恒载与活载标准组合作用下外包混凝土主拉应力最大值为4.10 MPa，发生在三角区尾部外包混凝土与竖杆相接处。

(2)恒载与活载标准组合作用下外包混凝土主压应力最大值为-12.6 MPa，发生在三角区后端外包混凝土与弦下斜杆相接处，主压应力最大值小于C50轴心抗压强度标准值(-32.4 MPa)。

(3)加固钢板Von Mises应力最大值为111 MPa，小于Q345B设计强度310 MPa。

下弦杆与弦下斜杆交接处的外包混凝土主拉应力见图10。由图10可见：该处最大主拉应力为3.79 MPa。

图10 外包混凝土主拉应力(单位：Pa)

该桥维修加固工作完成后又开展了一次交工验收荷载试验，结合三角区施工时预埋应变传感器数据和外包钢板上粘贴应变传感器数据，与理论计算应变进行比较，可知：三角区内外应变基本协调，各级加载应变值线性变化，实测应变与理论应变的比值为0.54～0.85之间，小于1.0。说明维修加固后外包混凝土和钢板与原结构共同参与受力，三角区强度满足设计要求。

5 结论

(1)混凝土桁架桥具有施工简便、质量轻、造价低、外形美观等特点。但随着经济的飞速发展，交通量的逐年增加，该类桥梁整体刚度小的缺陷也渐渐表现出来，桥梁易出现裂缝等病害，影响桥梁的正常运营。该类结构桥梁的养护应更加注重定期检测，重点关注结构受力较集中、应力分布复杂部位的工作状况，做到防微杜渐，以保安全。

(2)根据裂缝特点及结构分析结果，经综合比选，最终确定采用外包混凝土结合粘贴钢板法对主桥弦下斜杆与下弦杆交接处三角区进行加固。有限元分析结果表明：加固后三角区应力满足设计要求，成桥荷载试验验证维修加固后外包混凝土和钢板与原结构共同参与受力，三角区强度满足设计要求。