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预应力箱梁横向板桥面受损加固

摘 要：预应力混凝土箱梁桥面板作为结箱形构不可或缺的一部分，桥面板的任何损伤都可能严重影响桥梁受荷载时的性能。本文探究了一个PSC箱梁由于在建设时期不恰当的在混凝土上选择原位无损测试和取芯试验点引起桥面板的早期损害个案，这种情况下全部更换顶部面板显然是不可能的，因为这个过程中的破坏会使箱形梁的整体稳定性降低。板的加固通常都是用一系列钢托梁安装在桥面板底部并在顶部加以混凝土薄覆盖层来使板的强度达到要求，这种方法是最适合，它不仅改善了桥面板上的应力分布，而且还保持梁上预应力原本的扩散方式。目前，这种方法简单有效而且也可以用于发生类似损害的PSC箱梁桥梁面。DOI: 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000318.⑥2013 American Society of Civil Engineers.

CE数据库标题：修复；桥面；预应力；箱梁；个案研究；

作者关键词：修复；桥面；预应力；箱梁

Strengthening of Slab Action in Transverse Direction of Damaged Deck of Prestressed Box Girder Bridge

Abstract:The deck slab of a prestressed concrete (PSC) box girder bridge serves as an integral part of the structural box section, and any damage to the deck may seriously affect the load-resistance mechanism of the bridge. This paper discusses a case study of a PSC box girder that developed early damage to the deck because of the poor placement of concrete at the time of construction as established by in situ non- destructive and core tests. The possibility of total replacement of the top deck was ruled out because of the disruptive and tedious nature of the process, which could have endangered the overall stability of the box girder. Strengthening of the deck was performed by installing a series of steel joists at the underside of the deck slab and adding a thin overlay of concrete at the top to restore it to the requisite strength. This approach was best suited, for it not only improved the stress distribution in the deck, but also maintained the original load resistance mechanism provided by the prestressing arrangement in the girder. The presented scheme was easy to implement and could be used for similar damages occurring to the deck of PSC box girder bridges. DOI: 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000318.⑥2013 American Society of Civil Engineers.

CE Database subject headings: Rehabilitation; Bridge decks; Prestressing; Box girders; Case studies.

Author keywords: Rehabilitation; Bridge deck; Prestressed; Box girder.

引言

相比于桥梁其他构件，桥面过度磨损，容易出现早期恶化和退化问题，常见的问题还有剥落、开裂、分层，钢筋腐蚀等(Ryan 2003； Lachemi et al. 2007； Yehia et al. 2007)。通常，早期恶化是由混凝土浇筑时产生的施工缺陷引起的。预应力混凝土箱梁桥(PSC)桥面板是箱形结构不可分割的一部分，更是承受荷载的主要部分，所以被破坏后果非常严重。在修复被破坏的桥面时，许多因素都必须考虑在内，如交通维护，整体结构的完整性，最重要的是，要保留原结构的荷载传递方式。

本文记录一个了PSC箱梁跨线桥(ROB)桥面板修复案例研究 ，这座桥位于距离从新德里320公里的印度北部，桥下铁路每天都要通过几百列列车。这座双车道公路桥是全国高速公路网络的一部分，每年平均每日流量7000至8000辆 。在一年之内这座桥桥面受到很大的损害，桥面许多地方出现裂缝，尤其是从北端在12到20米，由于混凝土剥落钢筋外露。进一步的调查揭示由于在施工不当造成混凝土质量低劣，在梁式结构和桥面板中混凝土强度是远低于预期的设计值。进行详细的现场调查，根据梁和其他混凝土材料组件现有状况鉴定潜在的缺陷，生成一个适当的修补加固方案，并能提高桥主梁的结构性能。此外，加固过程中必须满足不中断桥下繁忙交通的额外标准。分析证实，使用钢托梁加强桥面板的方案能有效将桥面板修复到初始强度并降低桥面板的损伤，同时保持桥的受载方式。

1 桥梁简介及病害

这座桥采用单箱室PSC箱梁，跨越铁路线，支撑采用圆形桥墩弹性轴承垫，如图1所示。大桥按印度公路协会(IRC)6 2000(IRC)规定的印度高速公路桥负载情况A、B和检验负载情况C为设计标准，如下列所述和示意图2所示：

• 负载情况A:单车道IRC 70R双轨履带车加载， 每个车轮重350 kN；
• 负荷情况B:单车道IRC 70R 7轴轮式车辆加载，总负载1000 kN；
• 负载情况C:两车道IRC类加载，训练八轴轮式车辆，总重554 kN；

桥梁设计为双车道，桥长46.3米，宽10.95米，使用M40标号混凝土和Fe415钢，材料特性如表1所示。梁采用后张法施工，每股钢绞线由7根径12.7毫米的钢丝组成，符合IS6006二级标准(1983年印第安标准(BIS))(表1)，每个孔道中放置12股极限抗拉强度为2200kN预应力钢绞线，张拉预应力1540kN。梁截面的两端和跨中预应力索的布置图如图1所示。

大部分的损伤出现在板面和底面。混凝土剥落和分离，如图3(a)所示，钢筋外露，使其更容易受到腐蚀损害。桥面取芯显示振捣不均匀造成骨料和水泥之间结合不良，如图3(b)所示。在桥面板顶部的损害和混凝土质量差导致横向受弯强度降低超过纵向受弯。

(a)

(b)（所有尺寸均为毫米）

(c)

图 1跨线桥细部图：(a)PSC箱梁桥；(b)现有梁的横截面；(c)预应力筋配置

Fig. 1 Details of road over bridge: (a) PSC box-girder bridge; (b) cross section of the existing girder; (c) prestressing cable profile

图 2按车辆荷载IRC 6 2000(IRC) 设计:(a)IRC 70R轮式和履带式车辆；(b)IRC A车辆

Fig. 2 Vehicular loadine for bridee desien as per IRC 6 (IRC 2000a): (a) IRC Class 70R wheeled and tracked vehicle; (b) IRC Class A vehicle

2 状态评估

对现场PSC箱形梁调查，取芯后在实验室进行测试。实验结果表明，混凝土的质量不合格，加上振捣不密实，很多地方出现分层和混凝土保护层剥落，顶板钢筋外露。采用超声波脉冲速度(UPV)和施密特回弹锤(SRH)等无损检测方法测试在它的各种构件，如桥面板、腹板、背面板等来确定混凝土梁整体质量。这些测试都可以用来估计就地浇筑混凝土的强度。

UPV测量法在桥面板、隔水板、和锚固块测试时按IS13311(第1部分):1(BIS 1992)，而在混凝土的质量特征测试时与腹板中混凝土一样，这与多数文献相悖。 回弹锤测试法在PSC的箱形梁74个不同的位置(底板的顶部和底部，腹板上，桥面板的底部，防渗墙，锚固块，和支墩)的测试按IS 13311（第2部分)1992(BIS)，总体平均代表整个梁立方体强度，根据回弹锤进行测试，得到强度为44.3MPa，变异系数为31.6%，这表明强度降低较大(表2)。仔细观察表明，在桥面板底面和底板顶面强度降低分别为37.6和29.8%。而在底板底部变化较小，仅有10.5%。同时，底板两面的混凝土强度有很大差别，在顶面较低为27.2 MPa，有着较大的变化，相比之下，底板的底部强度较高，为64 MPa，变化较小。

混凝土芯样品是从PSC的箱形梁不同位置取得。在面板顶面的很多地方无法取出100mm的芯样，因为磨耗层下有钢筋和松散的材料(聚合物)。在实验室中芯样准备和测试是根据IS516(BIS1959)标准测试方法。使用IS 456 2000年(BIS)中的方法，得到取芯强度和相应的标准差，测定的混凝土强度为：底板39 MPa，斜腹板24 MPa，顶板17 MPa(表2)。与设计强度相比(即M40)可知，尽管混凝土在底板几乎满足预期的设计值，而在腹板和顶板，尤其是顶板，通过大幅低于预期。

根据测试结果，梁的各个部分中混凝土的质量和强度不均匀，从梁两端约5米混凝土的质量能满足要求；然而中间部分强度降低较大。桥面板混凝土中含有大量孔隙，缺乏握裹力，在车辆荷载的反复(疲劳)作用下，威胁着结构的安全性和稳定性。此外，多孔混凝土加剧雨水的渗入，导致钢筋生锈并加速恶化。磨耗层下存在的松散材料(聚合物)，作为桥面板的一部分，也是一个值得关注的问题。

表 1桥梁中使用的材料的性质汇总

Table 1 Summary of Properties of Material Used in the Bridge

图 3从箱梁内部观察底板破坏(b)取芯表明磨耗层下存在松散材料

Fig. 3 (a) Observed damages at the bottom face of the deck slab seen from inside; (b) coresindicating presence of loose aggregates below the wearing c

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