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摘要：预应力混凝土连续箱梁桥具有整体性强、外形美观，便于养护等优点。然而，使用过程中在长期重荷载、大交通量的运营情况下，会出现不同程度影响桥梁承载能力的病害。本文结合对预应力混凝土连续箱梁桥梁健康检测的资料，分析了病害产生的原因，为同类桥梁的设计、建设及运营管养提供参考。
关键词：预应力混凝土箱梁 桥梁病害 裂缝 检测 加固
中图分类号：TU528.571文献标识码： A 文章编号：
随着交通量的快速增长，车速提高，预应力混凝土连续箱梁桥具有桥面接缝少、梁高小、刚度大、整体性强，外形美观，在设计构造、施工、养护和使用上的优点，可满足人们出行快速、舒适的交通要求，箱形截面有单箱单室、单箱双室（或多室）等（及斜腰板的梯形箱），能适应各种使用条件。所以近年来建成的预应力混凝土连续箱梁桥较多。由于种种原因，如设计荷载偏低、施工管理粗放，施工技术水平较低等因素，以致在建成运营过程中该类桥梁易出现早期病害。
预应力混凝土箱式桥梁通常会出现裂缝类病害，因关系到结构的安全性，预应力混凝土连续箱梁的裂缝问题一直以来倍受桥梁界工程技术人员的重视。该类桥梁的裂缝成因比较复杂，往往是多种因素综合作用的结果。
本文结合对某国道预应力混凝土连续箱式桥梁加固前的检查、检测及荷载试验结果，分析了病害产生的原因，为加固设计提供可靠的技术数据和依据。该桥梁上部结构为跨径20m的预应力混凝土连续箱梁，截面采用单箱三室，顶板宽18.5m，底板宽12.5m。下部结构为双柱式桥墩。
1桥梁主要病害
1.1箱梁底板
1）在箱梁底板距桥墩支撑线1.5m至4m处有横向裂缝，多数裂缝横向断续贯穿整个底板，裂缝在距支撑线2.5m 区域内分布居多，部分分布于1.5m、3.5m区域。裂缝宽度为0.1mm~0.3mm。多条裂缝有渗水、白色析出物和红褐色水痕，说明裂缝渗水严重已引起混凝土中的钙流失和局部钢筋锈蚀。
2）底板距边缘0.4m至1.3m之间有纵向裂缝，裂缝长度为11~17m，裂缝宽度为0.1~0.3mm，该区域普遍有两条裂缝，分别位于距底板边缘0.4~0.7m和1.0~1.3m两个区域。
1.2箱梁腹板
1）箱梁腹板在距支撑线2.0 m ~5.0m之间分布有多条向跨中方向的平行斜向裂缝，部分裂缝已延伸至翼板，裂缝宽度为0.08~0.3mm。
2）箱梁腹板在跨中区段有数条竖向裂缝，宽度为0.08~0.26mm，部分裂缝向上延伸到翼板，向下与底板横向裂缝相连。
1.3桥面与栏杆
沥青混凝土桥面铺装有多条纵向裂缝、并出现坑槽，其中一条裂缝位于距护栏内侧5.6m区域，纵向基本贯通。少数横向裂缝位于桥墩支撑线两侧2.0m和5.0m附近区域。桥墩顶处护栏有多条竖向，少数裂缝部位存在因钢筋锈蚀而引起的混凝土剥落现象。
1.4支座
支座钢板普遍发生严重锈蚀，部分支座顺桥向位移过大。
2 桥梁病害产生原因分析
2.1底板横向裂缝
底板横向裂缝有规律的分布在桥墩支撑线两侧，部分底板横向裂缝与腹板斜向裂缝底部连通，对桥梁安全运营产生严重影响。
箱梁底板纵向预应力钢束在距支撑线2.5m（边跨2.0m）和4.0m处锚固，顶板在此区域内布有预应力钢束，上述构造设计均会在底板此区域产生较大拉应力。计算结果表明，在该桥正常使用车辆超载状态下，结构支点附近区域底板最大拉应力已达到4.6 MPa，超出了混凝土的极限拉应力（2.15 MPa）。若按预应力混凝土B类构件，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）5.2.34规定，在此区域内混凝土裂缝将达到0.15 mm。因此活载、自然环境（温度）、混凝土收缩徐变以及结构在此区域薄弱等诸多因素是底板横向裂缝产生的主要原因。
2.2腹板斜向裂缝
该桥腹板处斜裂缝属主拉应力裂缝，顶底板纵向预应力钢束锚固点位置（底板在距支撑线2.5m和4.0m处锚固，顶板在距支撑线2.0m、4.0m、5.5 m处锚固）导致支点到四分点区域内腹板上产生较大的主拉应力，同时在活载、温度、混凝土收缩、徐变作用也在该区域内将产生较大主拉应力。该桥在腹板内未配置抵抗主拉应力的预应力钢束（从抗剪角度讲，此桥为钢筋混凝土结构），对腹板内主拉应力没有起到控制作用，因此结构抵抗主拉应力能力不足，以上诸多因素是腹板产生斜裂缝的主要原因。
2.3腹板竖向裂缝
腹板竖向裂缝分布于跨中区域，该裂缝产生的主要原因是由于外荷载产生的正弯矩效应超过结构抵抗正弯矩的能力。
2.4桥面铺装纵向裂缝、箱梁底板纵向裂缝
该桥上部结构为横向宽度较大的宽箱梁（宽跨比接近于1），桥墩支撑点横向距离较小，箱室横桥向尺寸较大，且设计图纸中该桥横桥向没有配置预应力钢束；该结构特点导致桥梁在各种力作用下，箱梁顶板、底板及横梁的横向应力，横向框架效应，汽车轮载的局部效应均较大。预应力钢束的横向劈裂作用使预应力筋周围混凝土产生较大局部应力（裂缝位置与纵向预应力钢束位置基本一致验证了预应力钢束的劈裂作用）。以上诸多因素综合作用导致了该类病害的产生及发展。
2.5顶板横向裂缝
顶板（桥面铺装）横向裂缝主要分布于距墩顶支撑线2m和5m附近区域。其原因主要是由于顶板在此区域内锚固而引起锚固点后侧有较大拉应力。活载作用下，距墩顶支撑线2m处位于负弯矩区域，5m处为正负弯矩交替区段，这两个位置都会因负弯矩而产生拉应力。因此活载和顶板预应力钢束锚固而产生的拉应力是该区域产生横向裂缝的主要原因。
2.6超重车作用
根據收费站30辆车的抽样统计，三后轴载重汽车最大吨位为111吨，所调查载重货车基本都是装载刚从河里采回来的砂，车辆行驶过程中大量的水洒落到桥面，从桥面裂缝进入箱梁内部。
超重车作用是上述各种病害产生和发展的重要原因，各种不利因素在超重车的作用下都被得到放大，加重了病害程度并加快病害的发展。同时水的作用引起了结构中钢筋锈蚀和混凝土劣化。超重载交通作用下，桥梁的结构性病害与耐久性病害相互作用加剧了桥梁病害的发展，引起该桥的承载能力降低。
3荷载试验情况
（1）静载试验测量出各工况下的扰度和应变结果，各个测试截面扰度值用桥墩实测扰度修正（桥墩和桥台处的理论扰度为零），并与理论之比较。各工况的测试结果中部分扰度校验系数大于1，从刚度方面来说，桥梁已经不满足桥梁正常使用极限状态的设计要求。
（2）应变校验系数比较离散，少数测点应变校验系数大于1。应变校验系数离散表明该桥横向力个别点的受力不均匀，结构受力的整体性能有所降低。综合应变测试结果，该桥由于开裂使得桥梁的整体受力性能有所减弱，开裂后混凝土部分退出工作造成应变校验系数较小，结合桥梁开裂和扰度状况，该桥梁在设计的正常使用极限状态下，桥梁强度已不满足要求。
（3）个别应变测点实测应变值较大，表明在试验荷载下该测点有新的微裂缝产生。
（4）桥梁个别跨箱梁截面上部翼缘处的实测应变值较小，远小于理论值并且符号相反，说明该截面中性轴已经上移。中性轴上移的原因有两个：一是受拉区混凝土开裂退出工作；二是桥面铺装参与受力引起中型轴上移。中性轴的上移反映了桥梁开裂已经影响桥梁强度方面的受力，对桥梁强度方面是不利影响，目前桥梁强度和刚度方面的正常使用极限状态都亟需提高。
（5）次边跨的扰度曲线试验L/4、3L/4的实测扰度均大于理论扰度，L/2处扰度实测值小于理论值但与理论值非常接近。综合来说在设计正常使用极限状态下，桥梁刚度不满足要求。
（6）在试验过程中对跨中横向裂缝，腹板竖、斜向裂缝，底板纵向裂缝进行观测，裂缝有开展。
（7）为反映桥梁的空间受力特性、了解桥梁横向内力的分配情况，故进行偏载系数分析。个别中跨一侧布载偏载系数大。
（8）本次动载试验中的采用环境激振法测得的桥梁振动时域曲线及频域曲线。激振主要是一阶的振动，动载试验实测频率小于理论计算频率。
4荷载试验分析
（1）由应变（扰度）—荷载曲线、残余变形可知在试验荷载下结构基本处于弹性变形阶段，或者说试验荷载并未产生明显的附加塑性变形。这与结构长期承受超重车载和结构内布设预应力筋有关。
（2）由应变校验系数和中性轴分析可知，在正常使用极限承载状态下，桥梁的强度不满足设计要求。
（3）由扰度校验系数和中性轴分析可知，在正常使用极限承载状态下，桥梁的刚度不满足设计要求。
（4）由偏载系数分析可知，在单侧荷载下桥梁的偏载系数大，增大了桥梁的受力。
（5）在试验荷载下裂缝有开展，说明裂缝会有发展和增多的可能。
（6）动载试验实测频率小于理论计算频率，说明桥梁刚度有所退化。
5结论
由该桥试验检测结果综合分析，桥梁目前无论强度和刚度都不能满足正常使用极限状态承载能力的设计要求，现状是存在超载车辆的偏载行驶现象（据统计最大车重达111吨），建议立即进行加固补强。
超载运输造成桥梁实际负载量增大，长期的超规范汽车动荷载作用急剧加大对桥梁结构的损伤，影响结构的完整性和承载力，造成桥梁使用性能降低，进而增大桥梁的动力冲击系数，长期超载作用必然引起桥梁疲劳破坏，最终严重降低桥梁的使用年限。
参考文献
1、该桥全套设计文件
2、范立础主编.桥梁工程(上下册，第二版).人民交通出版社
3、中华人民共和国交通部.公路桥涵养护规范.人民交通出版社,2004
4、宋一凡编著.贺全海主审.公路桥梁荷载试验与评定.人民交通出版社，2002
关键词：预应力混凝土箱梁 桥梁病害 裂缝 检测 加固
中图分类号：TU528.571文献标识码： A 文章编号：
随着交通量的快速增长，车速提高，预应力混凝土连续箱梁桥具有桥面接缝少、梁高小、刚度大、整体性强，外形美观，在设计构造、施工、养护和使用上的优点，可满足人们出行快速、舒适的交通要求，箱形截面有单箱单室、单箱双室（或多室）等（及斜腰板的梯形箱），能适应各种使用条件。所以近年来建成的预应力混凝土连续箱梁桥较多。由于种种原因，如设计荷载偏低、施工管理粗放，施工技术水平较低等因素，以致在建成运营过程中该类桥梁易出现早期病害。
预应力混凝土箱式桥梁通常会出现裂缝类病害，因关系到结构的安全性，预应力混凝土连续箱梁的裂缝问题一直以来倍受桥梁界工程技术人员的重视。该类桥梁的裂缝成因比较复杂，往往是多种因素综合作用的结果。
本文结合对某国道预应力混凝土连续箱式桥梁加固前的检查、检测及荷载试验结果，分析了病害产生的原因，为加固设计提供可靠的技术数据和依据。该桥梁上部结构为跨径20m的预应力混凝土连续箱梁，截面采用单箱三室，顶板宽18.5m，底板宽12.5m。下部结构为双柱式桥墩。
1桥梁主要病害
1.1箱梁底板
1）在箱梁底板距桥墩支撑线1.5m至4m处有横向裂缝，多数裂缝横向断续贯穿整个底板，裂缝在距支撑线2.5m 区域内分布居多，部分分布于1.5m、3.5m区域。裂缝宽度为0.1mm~0.3mm。多条裂缝有渗水、白色析出物和红褐色水痕，说明裂缝渗水严重已引起混凝土中的钙流失和局部钢筋锈蚀。
2）底板距边缘0.4m至1.3m之间有纵向裂缝，裂缝长度为11~17m，裂缝宽度为0.1~0.3mm，该区域普遍有两条裂缝，分别位于距底板边缘0.4~0.7m和1.0~1.3m两个区域。
1.2箱梁腹板
1）箱梁腹板在距支撑线2.0 m ~5.0m之间分布有多条向跨中方向的平行斜向裂缝，部分裂缝已延伸至翼板，裂缝宽度为0.08~0.3mm。
2）箱梁腹板在跨中区段有数条竖向裂缝，宽度为0.08~0.26mm，部分裂缝向上延伸到翼板，向下与底板横向裂缝相连。
1.3桥面与栏杆
沥青混凝土桥面铺装有多条纵向裂缝、并出现坑槽，其中一条裂缝位于距护栏内侧5.6m区域，纵向基本贯通。少数横向裂缝位于桥墩支撑线两侧2.0m和5.0m附近区域。桥墩顶处护栏有多条竖向，少数裂缝部位存在因钢筋锈蚀而引起的混凝土剥落现象。
1.4支座
支座钢板普遍发生严重锈蚀，部分支座顺桥向位移过大。
2 桥梁病害产生原因分析
2.1底板横向裂缝
底板横向裂缝有规律的分布在桥墩支撑线两侧，部分底板横向裂缝与腹板斜向裂缝底部连通，对桥梁安全运营产生严重影响。
箱梁底板纵向预应力钢束在距支撑线2.5m（边跨2.0m）和4.0m处锚固，顶板在此区域内布有预应力钢束，上述构造设计均会在底板此区域产生较大拉应力。计算结果表明，在该桥正常使用车辆超载状态下，结构支点附近区域底板最大拉应力已达到4.6 MPa，超出了混凝土的极限拉应力（2.15 MPa）。若按预应力混凝土B类构件，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）5.2.34规定，在此区域内混凝土裂缝将达到0.15 mm。因此活载、自然环境（温度）、混凝土收缩徐变以及结构在此区域薄弱等诸多因素是底板横向裂缝产生的主要原因。
2.2腹板斜向裂缝
该桥腹板处斜裂缝属主拉应力裂缝，顶底板纵向预应力钢束锚固点位置（底板在距支撑线2.5m和4.0m处锚固，顶板在距支撑线2.0m、4.0m、5.5 m处锚固）导致支点到四分点区域内腹板上产生较大的主拉应力，同时在活载、温度、混凝土收缩、徐变作用也在该区域内将产生较大主拉应力。该桥在腹板内未配置抵抗主拉应力的预应力钢束（从抗剪角度讲，此桥为钢筋混凝土结构），对腹板内主拉应力没有起到控制作用，因此结构抵抗主拉应力能力不足，以上诸多因素是腹板产生斜裂缝的主要原因。
2.3腹板竖向裂缝
腹板竖向裂缝分布于跨中区域，该裂缝产生的主要原因是由于外荷载产生的正弯矩效应超过结构抵抗正弯矩的能力。
2.4桥面铺装纵向裂缝、箱梁底板纵向裂缝
该桥上部结构为横向宽度较大的宽箱梁（宽跨比接近于1），桥墩支撑点横向距离较小，箱室横桥向尺寸较大，且设计图纸中该桥横桥向没有配置预应力钢束；该结构特点导致桥梁在各种力作用下，箱梁顶板、底板及横梁的横向应力，横向框架效应，汽车轮载的局部效应均较大。预应力钢束的横向劈裂作用使预应力筋周围混凝土产生较大局部应力（裂缝位置与纵向预应力钢束位置基本一致验证了预应力钢束的劈裂作用）。以上诸多因素综合作用导致了该类病害的产生及发展。
2.5顶板横向裂缝
顶板（桥面铺装）横向裂缝主要分布于距墩顶支撑线2m和5m附近区域。其原因主要是由于顶板在此区域内锚固而引起锚固点后侧有较大拉应力。活载作用下，距墩顶支撑线2m处位于负弯矩区域，5m处为正负弯矩交替区段，这两个位置都会因负弯矩而产生拉应力。因此活载和顶板预应力钢束锚固而产生的拉应力是该区域产生横向裂缝的主要原因。
2.6超重车作用
根據收费站30辆车的抽样统计，三后轴载重汽车最大吨位为111吨，所调查载重货车基本都是装载刚从河里采回来的砂，车辆行驶过程中大量的水洒落到桥面，从桥面裂缝进入箱梁内部。
超重车作用是上述各种病害产生和发展的重要原因，各种不利因素在超重车的作用下都被得到放大，加重了病害程度并加快病害的发展。同时水的作用引起了结构中钢筋锈蚀和混凝土劣化。超重载交通作用下，桥梁的结构性病害与耐久性病害相互作用加剧了桥梁病害的发展，引起该桥的承载能力降低。
3荷载试验情况
（1）静载试验测量出各工况下的扰度和应变结果，各个测试截面扰度值用桥墩实测扰度修正（桥墩和桥台处的理论扰度为零），并与理论之比较。各工况的测试结果中部分扰度校验系数大于1，从刚度方面来说，桥梁已经不满足桥梁正常使用极限状态的设计要求。
（2）应变校验系数比较离散，少数测点应变校验系数大于1。应变校验系数离散表明该桥横向力个别点的受力不均匀，结构受力的整体性能有所降低。综合应变测试结果，该桥由于开裂使得桥梁的整体受力性能有所减弱，开裂后混凝土部分退出工作造成应变校验系数较小，结合桥梁开裂和扰度状况，该桥梁在设计的正常使用极限状态下，桥梁强度已不满足要求。
（3）个别应变测点实测应变值较大，表明在试验荷载下该测点有新的微裂缝产生。
（4）桥梁个别跨箱梁截面上部翼缘处的实测应变值较小，远小于理论值并且符号相反，说明该截面中性轴已经上移。中性轴上移的原因有两个：一是受拉区混凝土开裂退出工作；二是桥面铺装参与受力引起中型轴上移。中性轴的上移反映了桥梁开裂已经影响桥梁强度方面的受力，对桥梁强度方面是不利影响，目前桥梁强度和刚度方面的正常使用极限状态都亟需提高。
（5）次边跨的扰度曲线试验L/4、3L/4的实测扰度均大于理论扰度，L/2处扰度实测值小于理论值但与理论值非常接近。综合来说在设计正常使用极限状态下，桥梁刚度不满足要求。
（6）在试验过程中对跨中横向裂缝，腹板竖、斜向裂缝，底板纵向裂缝进行观测，裂缝有开展。
（7）为反映桥梁的空间受力特性、了解桥梁横向内力的分配情况，故进行偏载系数分析。个别中跨一侧布载偏载系数大。
（8）本次动载试验中的采用环境激振法测得的桥梁振动时域曲线及频域曲线。激振主要是一阶的振动，动载试验实测频率小于理论计算频率。
4荷载试验分析
（1）由应变（扰度）—荷载曲线、残余变形可知在试验荷载下结构基本处于弹性变形阶段，或者说试验荷载并未产生明显的附加塑性变形。这与结构长期承受超重车载和结构内布设预应力筋有关。
（2）由应变校验系数和中性轴分析可知，在正常使用极限承载状态下，桥梁的强度不满足设计要求。
（3）由扰度校验系数和中性轴分析可知，在正常使用极限承载状态下，桥梁的刚度不满足设计要求。
（4）由偏载系数分析可知，在单侧荷载下桥梁的偏载系数大，增大了桥梁的受力。
（5）在试验荷载下裂缝有开展，说明裂缝会有发展和增多的可能。
（6）动载试验实测频率小于理论计算频率，说明桥梁刚度有所退化。
5结论
由该桥试验检测结果综合分析，桥梁目前无论强度和刚度都不能满足正常使用极限状态承载能力的设计要求，现状是存在超载车辆的偏载行驶现象（据统计最大车重达111吨），建议立即进行加固补强。
超载运输造成桥梁实际负载量增大，长期的超规范汽车动荷载作用急剧加大对桥梁结构的损伤，影响结构的完整性和承载力，造成桥梁使用性能降低，进而增大桥梁的动力冲击系数，长期超载作用必然引起桥梁疲劳破坏，最终严重降低桥梁的使用年限。
参考文献
1、该桥全套设计文件
2、范立础主编.桥梁工程(上下册，第二版).人民交通出版社
3、中华人民共和国交通部.公路桥涵养护规范.人民交通出版社,2004
4、宋一凡编著.贺全海主审.公路桥梁荷载试验与评定.人民交通出版社，2002