预应力混凝土连续梁箱梁底板劈裂的加固技术

前言1底板崩裂情况2原因分析3演讲提纲加固处治方案4结束语湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province5一、前言某高速公路汉江特大桥主桥为85+3×150＋85(m)预应力混凝土箱型变截面连续刚构，主桥全长620.0m，桥面宽度24.5m，分左右两幅布置。主桥主墩采用钢筋混凝土双薄壁空心墩。箱梁为单箱单室预应力混凝土结构，墩顶根部梁高9.0m，跨中梁高3.0m，箱梁底板上缘按二次抛物线变化，底板下缘按1.6次抛物线变化。箱梁底宽6.0m，顶宽12m，翼缘悬臂宽度3m，顶板厚0.28m，0号节段顶板厚0.5m，腹板厚0.55m~0.7m，底板厚0.32m~1.2m。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province桥型布置图湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province一、前言湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province一、前言为了修复箱梁底板，设计对结构受力状况进行了全面的分析，并根据结构受力和底板实际破损情况进行了多方案比选，最终确定了安全可靠，投资节省，社会影响小的加固维修方案。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province二、底板崩裂情况通过对右幅5#-6#、6#-7#、7#-8#三个主跨箱梁底部的外观检查，发现共有20个节段箱梁底板下缘发生了不同程度的径向崩裂，以5#-6#跨最为集中、严重。图片1-4部分地反映了底板崩裂及底板混凝土破损情况。板崩裂情况湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province底板崩裂情况二、底板崩裂情况5#-6#跨底板崩裂区域从5-15至6-18节段共8个节段，该区域的底板下缘纵向预应力钢束以下部位已经整体崩裂悬空，破坏块最大下悬35cm（位于5-18节段），崩裂部位多在箱梁底板横向的中部；同时5-18至6-19节段箱梁底板左侧边缘也形成了横向1.5m宽的崩裂，破坏块最大下悬38cm（位于合拢段与5-19节段）；除此之外，5-13节段箱梁底板横向中部也有2.2m×1.7m范围的崩裂（占1/6面积）。图1 5＃-6＃跨5-18#崩裂情况湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province二、底板崩裂情况5#-6#跨箱梁底板下缘砼的破损和露筋情况也最严重。其中5-16至5-19共4个节段底板大于1/3面积的砼已经脱落，底板下缘纵横向主筋外露、悬空，5-18节段的底板下缘横向主筋部分脱落悬空；5-15节段至合拢段位于左侧边缘的底板下缘横向主筋因底板崩裂而脱落，脱落段横向分布钢筋无弯钩或弯钩呈水平状排列；其它节段崩裂处均是底板下缘局部砼脱落，底板下缘主筋外露。图2 5＃－6＃跨左边缘崩裂情况（横向钢筋无弯钩）湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province6#-7#跨底板崩裂分布较分散。6-14和7-19节段在底板横向中部和边缘处各有2处崩裂（占1/4面积），7-18节段中部及底板边缘均崩裂悬空（约占1/3面积），其它3个节段的崩裂都位于底板边缘处。其中6-14节段破坏块最大下悬18cm。二、底板崩裂情况图3 6＃－7＃跨7-19节段崩裂情况湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province7#-8#跨7-15节段整体崩裂；7-18节段左侧崩裂面积横2.6m×纵3.0m,（占节段面积的1/3），破坏块最大下悬17cm。7-19节段底板横向中部崩裂和左边缘崩裂（占节段面积的1/6），其它3个节段崩裂都位于底板边缘处。二、底板崩裂情况图4 底层钢筋绑扎及波纹管情况湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province在底板崩裂部位，明显可以看见塑料波纹管，波纹管与砼没有粘结，部分破裂。由底板下缘处的露筋情况发现，纵横主筋之间没有逐结点绑扎；底部两层钢筋之间没有发现竖向钩筋；底板底层横向分布钢筋的端头弯钩绑扎时都为平摆，未见腹板钢筋与之焊接，部分横向分布钢筋两端没有弯钩。底部钢筋保护层厚度为0.5～6cm之间。二、底板崩裂情况湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province二、底板崩裂情况湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province为了全面掌握大桥施工质量，对六个节段箱梁混凝土强度进行了回弹试验，总测区数为37个，每跨各抽检了两个节段，检测部位均为右侧腹板外侧。强度推定值最小值为51.8MPa,最大值为57.3MPa，推定值均大于设计强度值（设计值C50）。二、底板崩裂情况湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province实测前三阶竖弯振动1.13

Hz、1.32

Hz、1.58

Hz

比计算值0.96Hz、1.13

Hz及1.35

Hz均约大17%，与大多数桥梁通车鉴定实测数据相当，说明虽然汉江桥存在局部损伤，但整体刚度仍在正常范围。。脉动测试结果分析湖北省交通规划设计院按测点振幅绘制C的om竖mun向ic振ati型on图s

Planning

&

Design

Instituteof

Hubei

Province三、原因分析很明显，箱梁底板崩裂是由于底板劈裂作用力产生的。设计在对结构计算进行全面复核的基础上，重点对箱梁底板劈裂作用力和相应的抗力进行了分析计算。1经过分析，箱梁底板劈裂作用力主要有底板连续预应力束的径向分力和由泊松比效应产生的拉应力两部分。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province湖北省交通规Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hube划设计院i

Province三、原因分析1（1）预应力径向力根据设计图纸，将布置有底板合拢束的底板区域按1m一个单元分为41个单元，如下图示。分别取各个单元作为研究对象做简化计算，不考虑预应力损失，取钢束的张拉控制应力为1395MPa，计算其单元径向力，1号单元径向力最大，41号单元径向力最小，计算结果见下表：预应力张拉引起的箱梁底板径向力集度表三、原因分析单元号单元中心距跨中距离单元中心弯曲半径单根钢束张拉力通过单元钢束根数径向力X（m）R（m）F（N)N(根）F/R(N/m)11.51231939053605667304141.52093119390530278表中1号单元由预应力产生的径向力最大，为566730N，单元受拉截面的混凝土有效面积为=（600-20×9.7-8×10）/100=3.26m2，则由预应力产生的最大径向应力最大为σt1＝F/A=566730/3.26=0.17MPa。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province三、原因分析（2）由泊松比效应产生的拉应力从桥梁整体计算得出1号单元下缘压应力σC为10.6MP，小于规范规定的“最大压应力0.75

Rab＝35×0.75=26.25

MPa”，根据泊松比效应，在压应力的垂直方向会产生拉应力，应力大小为σt2＝σC×μ=10.6/6＝1.77

MPa（μ为混凝土的泊松比）。综上，底板单元径向拉应力σt＝σt1＋σt2＝0.17＋1.77＝1.94

MPa＜1.15×Rl

×90％=1.15×3.0×90％＝3.1

MPa。(Rl

为混凝土标准抗拉强度，b b90％为考虑到混凝土龄期的折减系数)

＜Rl×90％=2.45×90％＝2.205MPa。(Rl为混凝土设计抗拉强度，90％为考虑到混凝土龄期的折减系数Rl)湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province三、原因分析2、底板径向抗拉安全系数计算合拢时底板在径向方向产生的拉力Fl=σt×A=1.94×3.26×1=6.32×106(N)。底板混凝土能够抵抗的拉力大小为F2=1.15×Rlb×90％×A=1.15×3.0×90×3.26×1=10.12×106(N)仅混凝土底板参与受力时，底板径向抗拉安全系数＝F2/Fl=10.12×106/6.32×106＝1.6按设计图纸中布设抗崩钢筋，采用φ10的Ⅰ级钢筋按50×50cm间距设置，钩在两层钢筋网上，则1m单元内可布设18根φ10，设计钩筋能够抵抗的拉力大小为F3=n×Rg

×Ag=18×240×78.5=3.4×10

(N)。b 5湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province三、原因分析2、底板径向抗拉安全系数计算腹板箍筋采用Φ16的Ⅱ级钢筋，1m单元内箍筋的抗拉力为F4=n×Rgb×Ag=8×4×340×201.1=2.19×105(N)。考虑钩筋和底板腹板箍筋参与受力时，底板径向抗拉安全系数＝（F2＋F3＋F4）/Fl=（10.12×106＋3.4×105＋2.19×105）/6.32×106＝2.0为慎重起见，设计还采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG

D62-2004）9.4.8进行了校核，规范规定“当按公式（9.4.8-1）计算的保护层厚度较大时，也可按直线管道设置最小保护层厚度，但应在管道曲线段弯曲平面内设置箍筋。箍筋单肢的截面面积可按下列公式计算：Asv1≥Pd×Sv/2×r×Fsv”，根据设计文件，Pd=2343600N，Sv＝500mm，r＝123000mm，Fsv＝28湖0Mpa，规划设计院述上按通交省北 公Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province式计算，Pd×Sv/2×r×Fsv＝17mm2，Asv1＝78.5

mm2，满足规范要求。三、原因分析计算结果表明，在设计状态下，不设底板上下钢筋网间防崩钩筋，底板混凝土已经能够抵抗径向力，抗拉安全系数为1.6；增设底板上下钢筋网间防崩钩筋，抗拉安全系数提高到2.0，提高了结构的安全度，有利于防止底板崩裂。现场检查发现，施工没有按要求设置底板上下层钢筋网的钢筋防崩钢筋，降低了底板抗崩裂的安全度，但如无其他外因，底板崩裂不会如此严重。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province三、原因分析进一步检查发现，施工期间，为了预应力钢束穿束方便，施工单位在底板开有若干2.0×1.0（m）左右大小的孔洞，这些孔洞在底板连续预应力束张拉期间没有封闭。经验算，在底板预应力张拉后，这些孔洞周围产生了3.0MPa以上的集中拉应力，这些集中拉应力正是引发底板崩裂的直接原因。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province湖北省交通规划采用实体单元模型模拟管道上方开孔后的局部应力分布。开孔大小为横向两孔，纵桥向0.5m，开孔位置靠近底板梗斜。根据分析，当结构存在缺陷，即修复波纹管后，没有及时还原混凝土时，孔道间混凝土应力集中现象明显加聚，该位置会成为结构破损的发生点，继而破损进一步扩大，最终达到平衡。开孔后局部竖向应力开孔后局部竖向应力放大设计院Communications开Pl孔an后ni局ng部&第D一esi主gn应I力ns放ti大tute

ofHubei

Province局部应力分析湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province三、原因分析此外，底板预应力采用塑料波纹管，波纹管直径大，且与混凝土粘结差，在一定程度上削弱了底板，也是底板产生崩裂的原因之一。，孔道间混凝土应力集中现象明显。竖向应力第一主应力湖北省交通规划设计院孔道中间4cm厚混凝土竖向应力分布情况

Communica孔ti道ons中P间la4ncnmin厚g

混&D凝es土ig第n一In主st应it力ute应o力f分Hu布be情i况Province孔道间混凝土应力集中分析(平面应力单元)四、加固处治方案根据箱梁底板下缘径向崩裂情况的检查报告，底板破损以5＃-6＃跨最为严重，6＃-7＃和7＃-8＃损坏程度相对较轻。下面重点介绍5＃-6＃跨的加固处理情况。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province四、加固处治方案此桥之前，国内有过少量预应力混凝土连续梁桥箱梁底板崩裂的情况，其加固处理，是先切除合龙段，然后逐段拆除底板破损的节段，再重新悬浇施工至合拢。本桥采取这种方法处理也是可行的。但这种办法将造成大量的废弃损失，增加投资；且施工期间影响桥下通航安全，社会影响恶劣。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province四、加固处治方案设计经过慎重考虑，在对桥梁的应力状态进行多工况分析计算的基础上，决定充分利用以下有利条件，采取不拆除合拢段、局部更换底板的方法进行加固。

底板预应力连续束张拉后尚未灌浆；

靠近箱梁腹板约1米范围内的底板破损程度小；

CB5和CB6底板束仍然有效；④备用的底板预应力连续束PB尚未张拉。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province四、加固处治方案加固目标：恢复底板的完整性和结构设计的应力状态加固要求：更换受损底板全过程中结构处于安全状态。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province湖北省交通规划设计院四、加固处治方案：根据这一要求，设计拟定了四个处理方案进行比选，经过详细的工况分析计算，确定了最终的加固方案，并拟定了具体的实施步骤：①修复只局部受损的PB、CB5、CB6预应力束，张拉备用束PB。这一步的目的是,为松弛底板中部的CB0-CB4、CB7-CB9预应力束作准备,确保松弛CB0-CB4、CB7-CB9等底板连续束后,箱梁底板维持最低限度的压应力,经计算约为1.5Mpa。箱梁底板预应力筋横向布置如左图Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province四、加固处治方案②为需要更换底板的节段粘贴钢板。目的是使底板崩裂节段的箱梁在凿除破损底板后保持一定的整体性，同时对底板预应力钢束起承托作用。粘贴钢板宽度20cm，厚10mm，顺桥间距50cm，横断面布置如右图所示：湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province四、加固处治方案③松弛跨中底板钢束CB0-CB4、CB7-CB9。CB0-CB4、CB7-CB9管道已严重变形并偏离原设计位置，需要松弛后进行修复。同时松弛CB0-CB4、CB7-CB9束也是为凿除破损底板，新浇底板混凝土创造条件。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province四、加固处治方案④对需要更换底板的节段两端用刚性梁支撑连接，并用32预应力粗钢筋进行加固。刚性支撑的作用相当于浇筑合龙段混凝土时采用的劲性骨架，确保新浇混凝土形成强度之前不被拉裂。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

ProvinceCommunications

Plannin湖北省交通规划设计院g&Design

Instituteof

Hubei

Province4.2

病害处理方案5＃墩~6＃墩钢横梁构造图湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province四、加固处治方案⑤分节段由合拢段向桥墩方向对称地更换底板，更换方法是采用自密实混凝土重新浇筑箱梁底板。⑦松弛并重新张拉CB5、CB6，解除PB2。松弛并重新张拉CB5、CB6的目的，是为使CB5、CB6产生的预应力有效地传导给新浇的底板混凝土；解除PB2是为恢复其作为备用束的功能。⑥重新张拉原设计的CB9-CB7、CB4-CB0等底板连续束。湖北省交通规划设计院Communications

Planning

&Design

Instituteof

Hubei

Province为