陳曉娟 左燕林

摘要:我國(guó)早期采用懸臂施工的帶掛孔T構(gòu)橋梁,由于構(gòu)造上的原因,以及施工工藝、預(yù)應(yīng)力束的材料等,以及設(shè)計(jì)理論與計(jì)算手段的局限,使之存在一些固有的缺陷。這種型式的橋梁,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后,在T構(gòu)懸臂端部,即掛孔的牛腿處都有明顯的下垂現(xiàn)象、支座與伸縮縫亦非常容易損壞,行車(chē)時(shí)的沖擊和橋梁振動(dòng)都比較強(qiáng)烈。針對(duì)這種情況本文探討體外索加固T構(gòu)橋的索力檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞:T構(gòu)橋;加固;索力檢測(cè)

1 前言

1.1 大橋概況

大橋設(shè)計(jì)全長(zhǎng)為1090.26米,橋面凈空:凈-7+2×1.5m人行道;設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-13;拖車(chē)-60;人群-3.5KN/m2,上部結(jié)構(gòu)為16孔預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土帶掛孔懸臂T構(gòu),孔徑分別為:48.13+14×71+48.13m;T構(gòu)兩端懸臂長(zhǎng)各23.5m,橫截面為單箱雙室,懸臂端部梁高2.0m,T構(gòu)根部箱梁高4.0m,每跨掛孔由五片預(yù)制吊裝普通鋼筋混凝土T梁構(gòu)成,掛孔跨徑為21m,梁長(zhǎng)21.56m,于1970年5月1日舉行通車(chē)典禮,同年10月全部竣工交付使用。

1.2 大橋原設(shè)計(jì)主要情況

上部結(jié)構(gòu)懸臂箱梁分9塊采用預(yù)制干接縫懸臂拼裝。懸臂箱梁預(yù)應(yīng)力鋼筋采用45硅2鈦(45Si2Ti)Φ12mm冷拉時(shí)效光圓鋼筋,JM12-6錨具。每分塊接縫截面內(nèi)鋼束采用在墩的兩端各以?xún)墒峙鷮?duì)稱(chēng)張拉,1～7號(hào)塊件預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力為675Mpa,8～9號(hào)(牛腿)塊件預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力為650Mpa,本橋箱梁采用明槽布置預(yù)應(yīng)力鋼筋,因此在鋪筑橋面鋪裝前設(shè)計(jì)要求在明槽頂鋪設(shè)油毛氈防水層以加強(qiáng)防水性。

1.3 加固前大橋現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)主要病害

①大橋懸臂箱梁的部分預(yù)應(yīng)力筋錨頭已嚴(yán)重銹蝕(特別是9號(hào)塊的),而該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力干接縫懸拼施工,因而預(yù)應(yīng)力筋錨頭銹蝕給全橋的正常使用造成嚴(yán)重的威脅和隱患。

②橋面縱向成波浪型,各孔掛梁跨中部位有明顯下沉,且橋面混凝土破損極其嚴(yán)重,使車(chē)輛過(guò)往產(chǎn)生較大的沖擊力。

③伸縮縫、支座破壞嚴(yán)重,伸縮縫多被泥石堵塞,掛梁固定支座(切線鋼板支座)銹蝕嚴(yán)重,活動(dòng)支座(板式橡膠支座)下墊板47.5%銹蝕,有22.5%支座已移出下墊板,導(dǎo)致掛梁受力不正常,橫隔板破壞。

④梁體裂縫較多,掛梁腹板是在跨中產(chǎn)生豎向裂縫,翼板是在橫向接縫處開(kāi)裂。T構(gòu)箱梁主要是在腹板上緣,為縱向縫。

⑤兩岸橋臺(tái)變形較大(向前傾),溜坡及兩側(cè)擋土墻破壞較嚴(yán)重。

2 大修加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于該橋已使用多年,雖然經(jīng)過(guò)檢測(cè)查明了一些情況,但任何檢測(cè)總是有限的,因此本橋的加固設(shè)計(jì)中充分考慮了結(jié)構(gòu)性能的不確定性,注意安全、穩(wěn)妥,加固措施留有余地。本橋加固設(shè)計(jì)共分兩大部分:對(duì)橋梁病害部分進(jìn)行維修整治,對(duì)橋梁的承載能力進(jìn)行恢復(fù)。

2.1 橋梁病害的病害維修、整治部分

①對(duì)掛梁、箱梁的裂縫采用化學(xué)灌漿,并按裂縫寬度分別處理。同時(shí)在掛梁邊梁和T構(gòu)箱梁的腹板,當(dāng)裂縫寬度大于0.2mm時(shí),粘貼碳纖維布對(duì)裂縫進(jìn)行約束。

②鑿除原面鋪裝,全部重新澆注40號(hào)鋼纖維混凝土(加筋),由于鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度較高,并設(shè)有較強(qiáng)的鋼筋網(wǎng),不僅耐磨,抗沖擊,而且對(duì)掛梁的橫向剛度有較大提高。

③拆除掛梁原固定支座(切線式鋼板支座)及活動(dòng)支座(板式橡膠支座),重新安裝板式橡膠支座(帶4氟及不帶4氟的)。

④對(duì)箱梁預(yù)應(yīng)力錨頭進(jìn)行防銹處理:1～8號(hào)塊件在錨頭上掛鋼筋網(wǎng),再澆注15cm環(huán)氧樹(shù)脂混凝土封錨。9號(hào)塊件先鑿除5cm厚原封錨混凝土,再恢復(fù)至原封頭尺寸。

⑤對(duì)掛梁(個(gè)數(shù)較少)橫隔板混凝土破損部分,先鑿除,再重新澆注。

2.2 恢復(fù)橋梁的承載能力部分,使其在原設(shè)計(jì)荷載下,可繼續(xù)使用,其內(nèi)容為:

①在主墩上部鑿開(kāi)孔洞,在箱梁中采用植筋技術(shù),設(shè)置齒板,用體外束(無(wú)粘結(jié)束)對(duì)箱梁進(jìn)行加固。設(shè)計(jì)中對(duì)長(zhǎng)束采用可調(diào)式體外束錨具,是考慮到結(jié)構(gòu)性能的不確定性,在需要調(diào)整束力大小時(shí),比較方便。

②橋臺(tái)的加固采取動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則,分別在橋臺(tái)前后各加2根直徑1.2m的鉆孔灌注樁(一個(gè)橋臺(tái)共加四根樁),再澆注承臺(tái)與原承臺(tái)連接。

3 T型剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力箱梁加固維修施工

針對(duì)T構(gòu)箱梁原有預(yù)應(yīng)力損失的病害,加固設(shè)計(jì)采用在箱梁內(nèi)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力索的方法,將預(yù)應(yīng)力損失補(bǔ)償。

即在箱梁5#塊和8#塊設(shè)置混凝土齒板,體外索穿過(guò)0#塊,分別由5#塊齒板和8#塊齒板錨固起來(lái),從而得到加固。

箱梁體外預(yù)應(yīng)力索施工分為兩部分,第一部分包括齒板植筋的鉆孔和0#塊洞口及齒板天窗混凝土的鑿除。第二部分包括齒板鋼筋的植入,鋼筋的加工與安裝和預(yù)應(yīng)力體外索錨具的預(yù)埋,以及模板的支立,混凝土的澆筑,體外預(yù)應(yīng)力索的張拉等施工。

齒板混凝土施工完畢,進(jìn)行體外索穿索夾戴錨具施工,待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以上時(shí),進(jìn)行預(yù)應(yīng)力索鋼絞線張拉,張拉采用T構(gòu)箱梁整體對(duì)稱(chēng)進(jìn)行,即4套張拉設(shè)備同時(shí)進(jìn)行。預(yù)應(yīng)力筋張拉采用"雙控法"施工,預(yù)應(yīng)力索鋼絞線張拉完畢后,將可調(diào)式錨具錨固體系壓入油脂,將固定式錨具錨固體系壓入水泥漿,同時(shí)安設(shè)體外索支架。體外預(yù)應(yīng)力索鋼絞線張拉施工完畢,箱梁體外預(yù)應(yīng)力施工結(jié)束。

4 大橋T構(gòu)箱梁體外預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力檢測(cè)

4.1 主要測(cè)試方法

本次測(cè)試體外預(yù)應(yīng)力束是在該橋加固施工完成并通車(chē)運(yùn)行一年后才進(jìn)行的,目的是檢測(cè)各體外索力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)主要采用了振動(dòng)加速度響應(yīng)頻譜分析手段,對(duì)1#、4#、7#、10#、13#T構(gòu)箱室的72根索進(jìn)行了測(cè)試分析。將加速度傳感器固定在距索端部一定距離位置處,采用沖擊激勵(lì)振動(dòng)方式和環(huán)境振動(dòng)方式相結(jié)合的辦法,采集拉索的振動(dòng)加速度響應(yīng)。為獲得盡量大的振動(dòng)響應(yīng),本次測(cè)試只采集拉索的面內(nèi)振動(dòng)信號(hào),即將加速度傳感器安裝在拉索的面內(nèi)振動(dòng)平面。

選用的采樣頻率、濾波截止頻率均為1000Hz,為獲得足夠精確的頻率分辨率,每次采樣時(shí)間不少于2分鐘。

4.2 拉索振動(dòng)信號(hào)分析及內(nèi)力計(jì)算

由采集系統(tǒng)得到的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為Matlab數(shù)據(jù)格式,使用Matlab的頻譜分析工具,通過(guò)快速富里葉變換,得到拉索的自功率頻譜圖,進(jìn)而識(shí)別拉索的固有振動(dòng)頻率,頻譜圖的頻率分辨率為0.0038,具有較高的精度,可以滿足實(shí)際工程計(jì)算的需要。

在內(nèi)力分析計(jì)算中,采用有限差分離散格式,將拉索振動(dòng)的偏微分方程(考慮拉索的垂度、抗彎剛度及幾何非線形的影響)轉(zhuǎn)化為僅含時(shí)間域的常微分方程,通過(guò)特征分析得到的自振頻率與拉索內(nèi)力是對(duì)應(yīng)的,即某一內(nèi)力值,可以計(jì)算出拉索對(duì)應(yīng)的各階自振頻率。

根據(jù)識(shí)別出的拉索振動(dòng)頻率,由標(biāo)準(zhǔn)弦(不考慮拉索的垂度、抗彎剛度)振動(dòng)頻率方程,得出頻率與軸向拉力的關(guān)系方程,將此力作為拉索的初始力,代入拉索的差分離散格式表示的特征頻率方程中計(jì)算得到拉索的振動(dòng)頻率,與測(cè)試識(shí)別出的頻率相比,當(dāng)兩者相差較大時(shí),修正內(nèi)力值,重新計(jì)算振動(dòng)頻率,直到計(jì)算得到的頻率與測(cè)試得到的值相差很小時(shí)為止,此值即為拉索的內(nèi)力值。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 體外預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力測(cè)試結(jié)果

①本次檢測(cè)采用振動(dòng)測(cè)試及有限差分法,對(duì)大橋T構(gòu)箱梁加固體外預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行了認(rèn)真的檢測(cè)分析,通過(guò)頻譜分析技術(shù)和結(jié)構(gòu)計(jì)算,得出了各拉索的軸向內(nèi)力。

②索力測(cè)試結(jié)果表明,最大索力為1093.6KN,和張拉控制力1094KN一致;最小索力為835.7KN,是張拉控制力的76.4%,在考慮扣除正常的預(yù)應(yīng)力損失后仍屬于正常預(yù)應(yīng)力范圍內(nèi)。

③本次測(cè)試結(jié)果反映出,全橋體外預(yù)應(yīng)力索力規(guī)律性較差,建議二～三年內(nèi)再次對(duì)索力進(jìn)行測(cè)試和必要的索力補(bǔ)張拉。

5.2 體外索加固大修懸臂箱梁質(zhì)量評(píng)價(jià)通過(guò)對(duì)箱室內(nèi)新增預(yù)應(yīng)力束及其相關(guān)構(gòu)件、原有固定預(yù)應(yīng)力束防銹封錨的外觀檢測(cè),與設(shè)計(jì)要求基本相符,施工質(zhì)量良好,裂縫修補(bǔ)和粘貼碳纖維布也均符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)采用相關(guān)儀器測(cè)出的預(yù)應(yīng)力索力也基本上滿足設(shè)計(jì)要求的張拉力值。只是新增預(yù)應(yīng)力束轉(zhuǎn)向塊的數(shù)量與加固設(shè)計(jì)施工圖存在出入,但總體施工質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

該橋經(jīng)加固維修施工后,已通車(chē)營(yíng)運(yùn)兩年,經(jīng)跟蹤觀察,使用情況總體良好。