林源鋒
(廣東省高速公路有限公司 廣清分公司,廣東 清遠(yuǎn) 511542)
某高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨徑組合為4×20 m,上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,單箱單室截面,箱梁頂板寬12.23 m,底板寬6.73 m,梁高140 cm,橋面鋪裝采用9 cm瀝青混凝土。橋梁設(shè)計(jì)荷載采用汽車—超20級,驗(yàn)算荷載為掛車—120級。橋梁橫斷面一般構(gòu)造如圖1所示。
圖1 橋梁橫斷面一般構(gòu)造(單位:cm)
從該橋的檢查情況來看,連續(xù)箱梁截面腹板下緣豎向開裂,底板存在橫向裂縫,部分裂縫已貫通底板,部分施工縫處存在開裂現(xiàn)象,典型橋跨箱梁裂縫展開見圖2。由于該橋擬進(jìn)行整體式拓寬,橋梁結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行拼接,拼接前結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,出現(xiàn)病害后的連續(xù)箱梁承載能力及正常使用狀態(tài)是否滿足要求成為擺在設(shè)計(jì)單位面前的難題。為了準(zhǔn)確評估連續(xù)箱梁目前的受力狀態(tài),本文通過荷載試驗(yàn)的方法對結(jié)構(gòu)的承載能力及應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了測試,為該橋的病害原因分析提供基礎(chǔ)資料,為該橋拓寬拼接設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。
由于該橋連續(xù)箱梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,在正常使用階段是不允許出現(xiàn)裂縫的,為分析該橋裂縫的性質(zhì),了解橋梁目前的實(shí)際受力狀態(tài),為后期加固設(shè)計(jì)提供依據(jù),梁體使用狀態(tài)評定的主要思路為:測試車輛荷載作用下梁體主要控制截面的受力情況,分級加載測試裂縫的擴(kuò)展情況,分析梁體的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備,對橋梁的受力狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。
根據(jù)上述工作思路,梁體使用狀態(tài)評定的工作內(nèi)容有:
1)測試常規(guī)測試截面(邊跨0.4L、中跨跨中、墩頂負(fù)彎矩截面)在試驗(yàn)荷載下的應(yīng)力和撓度,分析主要控制截面的受力狀態(tài),L為跨長。
2)測試裂縫截面、施工接縫截面在試驗(yàn)荷載下跨裂縫測點(diǎn)及裂縫附近測點(diǎn)應(yīng)變變化情況,分析裂縫的性質(zhì),對梁體的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備進(jìn)行評價(jià)。
3)根據(jù)上述測試結(jié)果,對橋梁的總體受力狀態(tài)進(jìn)行綜合評價(jià),為加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
常規(guī)測試截面應(yīng)力測試沿橋縱向及截面高度方向布置應(yīng)變測點(diǎn),分析試驗(yàn)荷載作用各截面的應(yīng)力分布情況。
圖2 典型橋跨箱梁裂縫展開(裂縫寬度單位:mm;距離單位:cm)
2.1.1 中跨跨中截面
1)由于試驗(yàn)加載過程中截面出現(xiàn)開裂,受開裂處應(yīng)力集中影響,各抗裂測點(diǎn)平均應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離該擬合直線,應(yīng)變也遠(yuǎn)大于按線性推算的應(yīng)變值。實(shí)測截面下緣表面平均拉應(yīng)變?yōu)?25×10-6,計(jì)算拉應(yīng)變?yōu)?1×10-6,實(shí)測混凝土表面應(yīng)力遠(yuǎn)大于計(jì)算應(yīng)力值,不滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5~0.9之間的要求。
2)最大級試驗(yàn)荷載作用下,抗裂測點(diǎn)應(yīng)變分布于26×10-6~373 ×10-6,實(shí)測應(yīng)變值非常不均勻,個(gè)別測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變隨荷載效率增加出現(xiàn)退化和畸變現(xiàn)象。由此可見,該截面工作狀態(tài)不良,抗裂性不滿足要求。
3)實(shí)測梁體撓曲線與計(jì)算撓曲線規(guī)律一致,但梁體實(shí)測撓度均大于計(jì)算撓度。在最大級試驗(yàn)荷載作用下,實(shí)測撓度平均值為4.57 mm,計(jì)算撓度為3.20 mm,實(shí)測撓度大于計(jì)算撓度,不滿足《評定規(guī)程》中預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.6~1.0之間的要求。
2.1.2 邊跨—次邊跨墩頂截面
1)截面應(yīng)變沿截面高度基本呈線性變化,實(shí)測中性軸平均高度為97.6 cm,計(jì)算中性軸高度為89.0 cm,實(shí)測值略大于計(jì)算值。實(shí)測截面下緣平均壓應(yīng)變?yōu)?-56 ×10-6,計(jì)算下緣壓應(yīng)變?yōu)?-62 ×10-6,其應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.903,基本滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5~0.9之間的要求。
2)在各級試驗(yàn)荷載下,墩頂截面上緣最大拉應(yīng)變數(shù)值較小,且變化均勻,無退化和畸變現(xiàn)象出現(xiàn),該截面抗裂性滿足要求。
2.1.3 邊跨0.4L截面
1)截面應(yīng)變沿截面高度基本呈線性分布,實(shí)測截面平均中性軸高度為95.8 cm,計(jì)算值為90.5 cm,兩者較接近。實(shí)測截面下緣表面平均拉應(yīng)變?yōu)?6×10-6,計(jì)算拉應(yīng)變?yōu)?2×10-6,應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為1.049,不滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5~0.9之間的要求。
2)各抗裂測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值不均勻、離散性較大,說明混凝土勻質(zhì)性較差。
3)實(shí)測梁體撓曲線與計(jì)算撓曲線規(guī)律一致,但梁體實(shí)測撓度大于計(jì)算撓度。最大級試驗(yàn)荷載作用下,實(shí)測撓度平均值為4.93 mm,計(jì)算撓度為4.08 mm,實(shí)測撓度大于計(jì)算撓度,不滿足《評定規(guī)程》中預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.6~1.0之間的要求。
2.2.1 次邊跨跨中附近開裂截面
1)受開裂處應(yīng)力集中影響,截面線性關(guān)系較差。實(shí)測截面下緣表面平均拉應(yīng)變?yōu)?43×10-6,理論計(jì)算拉應(yīng)變?yōu)?1×10-6,混凝土實(shí)測表面應(yīng)力遠(yuǎn)大于計(jì)算應(yīng)力值,不滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5~0.9之間的要求。
2)各抗裂測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值非常不均勻,最大級加載下最大應(yīng)變835×10-6,且裂縫旁測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變隨荷載效率增加出現(xiàn)退化現(xiàn)象。可見,該截面抗裂性不滿足要求。此外,根據(jù)部分測點(diǎn)荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線圖,推算該截面在0.5倍的汽超—20級荷載下已出現(xiàn)消壓,部分底板測點(diǎn)可能在恒載作用下已出現(xiàn)消壓。
2.2.2 次邊跨施工接縫截面
該截面中性軸高度較其余截面已明顯上移,截面剛度弱化顯著。實(shí)測截面下緣表面平均拉應(yīng)變?yōu)?38×10-6,計(jì)算拉應(yīng)變?yōu)?45 × 10-6,混凝土實(shí)測表面應(yīng)力遠(yuǎn)大于計(jì)算應(yīng)力值,不滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.5~0.9之間的要求。此外,在試驗(yàn)荷載下,截面抗裂測點(diǎn)應(yīng)變均遠(yuǎn)大于計(jì)算應(yīng)變值,說明該截面裂縫為受力裂縫,梁體預(yù)應(yīng)力度存在明顯不足。
綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知,該橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁預(yù)應(yīng)力度存在不足,梁體裂縫為受力裂縫,由于梁體裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致梁體剛度有明顯下降,梁體受力不滿足原設(shè)計(jì)荷載(汽車—超20級、掛車—120級)的正常使用要求。
為了分析該橋病害原因,本文采用有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算,驗(yàn)算結(jié)果表明,承載能力極限狀態(tài)邊跨0.4L截面抗力存在約4%的不足;正常使用極限狀態(tài)梁體截面法向壓應(yīng)力和主壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求,截面法向拉應(yīng)力和主拉應(yīng)力不能滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。主梁剛度滿足規(guī)范要求。
根據(jù)荷載試驗(yàn)結(jié)果,本文提出了如下兩個(gè)修正模型:
1)修正模型1為該橋三道施工接縫處截面剛度按開裂截面考慮;
2)修正模型2為該橋三道施工接縫處截面及中跨跨中12 m范圍梁體剛度按開裂截面考慮。
未修正模型及兩個(gè)修正模型加載響應(yīng)計(jì)算結(jié)果對比如表1。
表1 梁體模型修正前后加載響應(yīng)計(jì)算值對比
根據(jù)上述計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果,初步分析該橋產(chǎn)生病害的原因可能是施工接縫處連接器施工不良引起的。由于施工接縫處連接器施工不良,使該接縫截面出現(xiàn)開裂,梁體主控截面內(nèi)力增大,中跨跨中、邊跨0.4L截面撓度亦增大(修正模型1)。由于施工接縫處連接器施工不良引起梁體施加的預(yù)應(yīng)力達(dá)不到預(yù)計(jì)的效果,以及由于接縫截面開裂引起梁體主控截面內(nèi)力增大,導(dǎo)致梁體主控截面(第三跨跨中附近)出現(xiàn)開裂,而主控截面開裂后則進(jìn)一步引起其他截面內(nèi)力增大,梁體撓度進(jìn)一步增大(修正模型2)。此外,加上該橋超載車較多,交通量也在逐年增大,這也使梁體的狀態(tài)進(jìn)一步劣化。由于以上的綜合效應(yīng),導(dǎo)致該橋出現(xiàn)嚴(yán)重開裂,預(yù)應(yīng)力度不足以及梁體剛度較大弱化等病害。
由于采用支架逐孔現(xiàn)澆施工,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁施工時(shí)不可避免地需要設(shè)置施工接縫,采用預(yù)應(yīng)力連接器,雖然施工接縫一般設(shè)置在梁體彎矩反彎點(diǎn),受力較小,但是如果施工時(shí)該處施工工藝不良,仍然可能造成接縫截面處出現(xiàn)開裂病害。接縫截面開裂導(dǎo)致梁體剛度發(fā)生變化,截面內(nèi)力將出現(xiàn)重分布現(xiàn)象,使其它截面受力不能滿足設(shè)計(jì)要求。本文通過荷載試驗(yàn)和理論計(jì)算的方法,對出現(xiàn)病害的預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁進(jìn)行了使用狀態(tài)評定及病害原因分析,為采用支架逐孔現(xiàn)澆施工和預(yù)應(yīng)力連接器的類似結(jié)構(gòu)和新建預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁的現(xiàn)澆施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。
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