桥梁预应力箱梁腹板修复补强研究

石庆年

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550010）

0 引言

桥梁工程补强工作大都聚焦在对抗地震作用的耐震补强工程，其主要评估结构系统的韧性能力，并以下部结构补强为主，随着肩负交通命脉的桥梁工程日渐老化，部分桥梁经过重车碾压，普遍存在的箱梁腹板开裂问题成为阻碍其发展的突出问题，其上部结构的劣化情况日益显现，因此，对箱梁腹板开裂成因的分析以及提出有效的加固措施具有重要意义。

桥梁检测是各桥梁养护管理单位的例行工作，主要是为了及早发现、及早修复桥梁病害，以达到防患于未然并保障使用者安全的目标。本文以某大桥为例，采用进入箱形梁内部进行目视检测的方法，分析了预应力混凝土桥梁的箱形梁腹板产生斜向裂缝的原因，并根据成因进行了针对性的补强设计，可供同类工程参考。

1 工程概况

某大桥位于贵州省某市辖区，2009年12月开工建设，2011年9月25日合龙，2012年1月15日通车。工期预计24个月，是环路的重要组成部分。大桥设计为预应力箱梁桥，规划全桥长526m，其中主桥长276m、宽42m，引桥长250m、宽40m，道路设计行车时速60km/h，双向六车道，起到了连通新区和老区的作用，将使城区目前的道路和桥梁交通压力得到有效缓解。

后期在养护过程中发现混凝土箱形梁裂缝，由于本桥规模大，如采用一般桥下目视检测的方法无法确切了解裂缝损伤情形，于是经过多方探讨，最终采用进入箱形梁内部进行目视检测工作的方法进行检测[1]。检测结果发现，有多跨发生两侧梁腹斜裂缝连接底板横向裂缝的梁断面结构裂缝，且各跨箱梁有发生此种形式裂缝的断面位置，皆在最靠近下构支撑的底板预应力锚座附近，建议进行评估及评判是否应做补强，之后经管养机关邀请相关单位及专家现场勘察，均认为亟须对该桥进行修复补强[2]。

2 桥梁裂缝成因

根据桥梁裂缝情况，检测后将全桥划分为24个桥梁单元，其单元形式约为5～7跨，每跨约33.5～55m，桥面宽度约14.45m（标准桥宽）～21.05m（最大桥宽）。其箱梁横断面结构如图1所示，桥梁使用材料强度如下：

图1 箱梁横截面设计图（单位：cm）

（1）钢筋混凝土（桥墩）fc′=350kPa；

（2）预应力混凝土fc′=350kPa；

（3）钢 筋φ16以 下fy=2800kPa，φ18以 上fy=4200kPa；

（4）采后拉法预应力系统极限抗拉强度fs′=190kPa，屈服强度fy=171kPa，曲线摩擦系数μ=0.25，锚定滑动量=6mm，以下套管波浪摩擦系数K=0.0007/m。

依据检测成果，其损伤情形及形成原因分析如下：西行线及东行线箱形梁除少数1、2跨外，每跨跨径接近柱头两端左、右腹板普遍均有发生密集斜向裂缝，裂缝宽度约0.3～0.6mm，每一裂缝长度约3～4m，每一腹板分别有2～16处不等裂缝（裂缝深度经检测约4～8cm），如图2。经统计检测报告内全路段桥梁裂缝损伤数量（宽度大于0.3mm）约达25 450m。典型腹板内裂缝分布如图3，此腹板裂缝由其分布情形（分布每柱头两侧约2～4结块）及数量判断，为系统性裂缝损伤。由结构力学分析，腹板部分主要承受垂直向剪力，故此裂缝应属腹板剪应力超载造成的局部裂缝。也就是受垂直荷载时，大梁位于柱头两端有较大的剪力，由于腹板断面或剪力筋不足，遂造成45°的剪力裂缝。剪力作用力下的最大主张应力（Principal tensile stress）的方向为45°垂直方向，混凝土材料的张应力σt大于其破裂模数fr（Fracture modulus），故在张应力的垂直面产生开裂[3]。

图2 西行线及东行线典型裂缝（左：西行线；右：东行线）

图3 典型腹板内裂缝分布（西行线P70—P75）

3 补强方案重点

本桥梁修复补强设计重点在于两部分：腹板裂缝损伤的修复、腹板剪力强度不足的补强。

3.1 腹板裂缝修复

处理裂缝的修补原则一般为：裂缝宽度小于0.3mm，采用防水涂层予以填缝抹平；裂缝宽度大于0.3mm，则须采环氧树脂低压灌注。裂缝修复可阻断水汽进入混凝土内部，提高混凝土耐久性；环氧树脂灌注则因环氧树脂的拉力强度大于混凝土，可防止混凝土裂缝继续发展[4]。如前文所述，目视检测报告内全路段桥梁裂缝损伤数量约达2 545m，其中宽度大于0.3mm者约有2 497m，宽度大于1mm者约有47m，宽度大于3mm者约有2m。

3.2 腹板补强

腹板补强方法，均为增加断面，增加抗剪力加劲材，其中加劲材可使用钢板或碳纤维（CFRP）贴片。如增加加劲材即可达到所需的腹板剪力强度，则可省去增加断面的麻烦。钢材具有高强度的优点，可用于抵抗轴力及剪力需求；碳纤维具有高于钢板10倍的抗张强度，且重量轻，但其强度主要集中在沿纤维的方向，几乎没有抗剪能力。补强方案主要考虑补强的成效，此外，需对现场环境条件施工的可行性、施工中交通维持、完成后的耐久性、补强的费用与工期以及完成后对景观的影响等进行整体考虑[5]。

4 补强具体设计方案及施工要点

本桥址位于郊区，桥下道路顺沿桥梁两侧，此位置区域尚有3～4处横交道路。本路段桥梁无桥台，每一桥梁单元前后各一处箱梁底板人孔可供进出箱形梁，底板人孔直径为60cm。箱形梁底距地面高度12～18m。

本桥预应力箱形梁腹板裂缝修复补强设计：先针对裂缝宽度大于1mm以上的裂缝进行环氧树脂裂缝灌注，裂缝宽小于1mm以下的裂缝则以防水层抹平。箱形梁内部采用A572 Gr.50钢板贴覆，以M16化学锚栓固定补强钢板，如图4。

图4 腹板补强设计图

钢板的锚定除靠化学黏着锚栓外[6]，钢板与混凝土面中间空隙需用低压灌注环氧树脂，以保证钢板与混凝土面能完全密接，其最后能达到钢板与混凝土结合为一体，详细设计要点说明如下：

（1）经结构分析，以腹板内部钢板锚固贴覆相当于腹板增加剪力钢筋的概念，不需加大腹板的尺寸，采用钢板厚度8mm，即能满足剪力强度的需求。经检核补强后混凝土临界断面剪力强度，尚需符合设计规范的规定[7]。为利于补强钢板运送至箱梁内，配合箱形梁底板人孔大小，每块钢板宽度仅40cm，钢板的设计长度须涵盖腹板斜面部分，部分钢板形状需配合内部既有预应力锚定座调整，每块钢板约保留有10cm间隙。本座桥梁腹板内没有预应力钢腱，化学锚栓施工没有损害既有钢腱的可能，补强范围为剪力较大的区域，对所有45m±标准跨径而言，约在柱头两端各4个节块。

（2）裂缝修复部分，考虑修复后会再以钢板贴覆，且其钢板与混凝土界面需以环氧树脂填满并达密接状态，故裂缝宽度大于1mm时才需以环氧树脂裂缝灌注，裂缝宽度小于1mm时仅以防水层抹平。除因钢板补强后既有腹板的剪力裂缝不会再发展外，宽度大于0.3mm的裂缝数量众多，以1mm为上限仅以防水层抹平可大幅减少工程费用。另一方面，应避免腹板外部裂缝灌注数量太多，其修补痕迹可能引起观感不佳。

（3）为利于交通维护并降低对现场环境的影响，修复补强工作原则上于箱形梁内部施工，其完成后的加劲材因位于箱形梁内部的封闭环境中，可维持较好的耐久性，腹板外部的裂缝修复则采用高空作业车进行[8]。

（4）整个修复补强工作应不影响原有景观，并避免民众对于该工程实施产生较多抱怨和疑虑，以利于工程的进行。

5 结语

预应力混凝土桥箱形梁腹板若发生斜裂缝损伤，因其多半属于结构上的剪力破坏，对管养单位将形成巨大压力，因而在修复的方案及方法的选择上需要慎之又慎。在补强对策上，应根据桥梁现况和既有维修动线以条状钢板补强，在箱梁腹板内补充剪力钢筋为有效、可靠的补强方法，且钢板设于箱梁内部有其较佳的耐久性。补强工作中裂缝的修复与补强工法应一并考虑，以完善整体的补强工作。补强工法除了需配合既有桥梁结构形式，也要考虑现场环境条件、工程经费及对景观的影响。本案例大桥钢筋混凝土箱梁腹板补强及修复即贯彻以上精神，充分分析其成因后，采用较为保守的补强方案，针对腹板部分采用加强钢板及化学锚栓进行固定，增强了梁体整体刚度，确保了桥梁在后续服役期间的安全及稳定，效果较好，该方法可在同类工程中推广使用。