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        預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋加固設(shè)計(jì)的探討

        2020-07-18 01:56:28彭世恩林桂萍劉元剛
        四川建筑 2020年3期
        關(guān)鍵詞:主拉鋼束腹板

        彭世恩,林桂萍,劉元剛

        (四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610000)

        在連續(xù)剛構(gòu)橋前期推廣使用時,大家對它的認(rèn)識還不夠全面,所以早期一批設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋經(jīng)過十多年運(yùn)營后,存在著或多或少病害,病害經(jīng)過一段時間發(fā)展,其表現(xiàn)越來越明顯。有些病害由于設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)的認(rèn)識不足造成;有些是施工中未按相關(guān)規(guī)范、規(guī)程施工造成;有些則是后期運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)過程中引起,這些均是早期預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋病害發(fā)現(xiàn)的高峰期。

        1 工程概況

        該項(xiàng)目橋梁也不可避免出現(xiàn)了相關(guān)病害,本橋位于四川某市繞城高速公路上,一座跨越嘉陵江的特大橋,橋梁全長1 553.74 m,橋孔布置為:5×30 m簡支T梁+(63+2×110+63) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋+35×30 m簡支T梁,該橋于2001年5月建成通車。設(shè)計(jì)上采用24.5 m寬單箱單室的梁體結(jié)構(gòu),懸臂長度達(dá)到5.75 m,該剛構(gòu)橋的腹板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束均未設(shè)置下彎,采用水平布置。橋梁的布置圖見圖1、圖2。

        圖1 嘉陵江大橋主橋立面

        圖2 嘉陵江大橋斷面

        2 橋梁病害情況及原因分析

        在2014年例行檢查的過程中,發(fā)現(xiàn)很多裂縫,主要的典型病害分布如圖3所示。

        圖3 主橋中跨的典型裂縫分布

        依據(jù)JTG/T H21-2011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》對清泉寺嘉陵江大橋技術(shù)狀況進(jìn)行評定。該橋技術(shù)狀況評分Dr為56.3,屬于4類橋梁,即主要構(gòu)件有大的缺損,嚴(yán)重影響橋梁使用功能。

        根據(jù)原設(shè)計(jì)文件和竣工文件等相關(guān)資料,通過有限元軟件對結(jié)構(gòu)做整體和局部分析計(jì)算,查找原橋裂縫產(chǎn)生原因。建立的計(jì)算模型如圖4所示。

        圖4 空間網(wǎng)格模型

        2.1 腹板內(nèi)部斜裂縫

        通過精細(xì)化分析和原橋結(jié)構(gòu)的計(jì)算,腹板內(nèi)部斜裂縫主要原因通過計(jì)算分析,基本了解了該橋產(chǎn)生病害的原因分析如下:

        造成腹板內(nèi)部斜裂縫的直接原因是主拉應(yīng)力過大,其裂縫的走向多垂直于主拉應(yīng)力方向,吻合得較好,其主要影響因素:

        (1)主橋梁段的腹板較薄,抗剪能力較弱;

        (2)豎向預(yù)應(yīng)力筋布設(shè)較少,縱向預(yù)應(yīng)力鋼束無腹板下彎束,同時梁高相對較低,豎向預(yù)應(yīng)力損失較大;

        (3)四車道采用整幅單箱單室箱梁,一個車道置于大懸臂上,長期的偏心荷載作用,使薄壁箱梁扭轉(zhuǎn)和畸變相對突出,即產(chǎn)生的附加正應(yīng)力、剪應(yīng)力增加,加大了主拉應(yīng)力;

        (4)單室箱梁底板跨徑較大,在其自重作用下,腹板內(nèi)緣產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力,且永久作用,加上箱內(nèi)外溫差作用,增大了箱內(nèi)拉應(yīng)力,致使二維應(yīng)力狀態(tài)下的腹板內(nèi)緣主拉應(yīng)力大于外緣,同時造成斜裂縫多而密集。

        (5)長期的超載、超速車輛作用,造成橋梁結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展,帶來較大安全隱患。

        2.2 底板外部縱向裂縫

        造成底板外部縱向裂縫的直接原因是箱底板自重、箱內(nèi)外溫差和薄壁箱梁扭轉(zhuǎn)和畸變產(chǎn)生的附加應(yīng)力等。同時底板曲線預(yù)應(yīng)力張拉引起徑向反力作用,造成底板中部下緣開裂。

        箱梁底面寬度為13 m,底板自重彎矩使腹板內(nèi)側(cè)受彎。橫斷面內(nèi)箱梁彎矩(自重+橫向預(yù)應(yīng)力)如圖5所示。

        圖5 箱梁橫向彎矩圖示意

        2.3 跨中下?lián)?/h3>

        跨中下?lián)系闹饕颍?/p>

        (1)下?lián)现饕苫炷两Y(jié)構(gòu)的收縮徐變引起;

        (2)梁體剪切裂縫造成剛度降低,使結(jié)構(gòu)本身變?nèi)?,加劇了跨中下?lián)稀?/p>

        (3)邊跨頂板橫向裂縫會造成邊跨剛度比計(jì)算值低,也導(dǎo)致主跨跨中下?lián)稀?/p>

        3 加固設(shè)計(jì)

        本次加固設(shè)計(jì)目的本著提高橋梁本身承載力,受力上滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求,達(dá)到橋梁本身使用功能。同時還考慮以下幾點(diǎn)因素:

        (1)維持設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn),加固力求不過度增加主橋荷載;

        (2)解決當(dāng)前病害和關(guān)注長遠(yuǎn)安全并重;

        (3)加固措施合理可行,針對性強(qiáng),操作方便;經(jīng)濟(jì)性和加固有效性并重。

        3.1 體外預(yù)應(yīng)力鋼束

        通過施加體外預(yù)應(yīng)力改善結(jié)構(gòu)的整體性能和減緩跨中撓度,同時對梁體的主拉應(yīng)力進(jìn)行改善,避免箱梁腹板繼續(xù)開裂,增強(qiáng)梁體整體抗剪承載能力。

        前期提出了幾個鋼束布置方案做比選后最終通過精細(xì)分析確定采用的實(shí)施方案見圖6。

        圖6 鋼束布置(單位:cm)

        鋼束采用了多支點(diǎn)的轉(zhuǎn)束布置方式具有以下優(yōu)點(diǎn):

        (1)節(jié)約了體外預(yù)應(yīng)力索的用量。原方案用量為約54 t,方案優(yōu)化后約為40 t,同等效果下減少了25 %的預(yù)應(yīng)力鋼束用量;

        (2)在錨固點(diǎn)和轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置減少了對頂板及底板的受力影響,防止后期施工和運(yùn)營過程中對結(jié)構(gòu)二次破壞;

        (3)更好地將體外預(yù)應(yīng)力索斜向分力傳遞給腹板,對腹板裂縫發(fā)展有抑制作用,較好地達(dá)到了本次加固的目的;

        (4)施工方便,施工中的加工更方便,張拉鋼束的工作量也減少。

        對轉(zhuǎn)向塊的選擇上采用了混凝土和鋼構(gòu)件進(jìn)行比較,最終采用了鋼構(gòu)件作為實(shí)施方案,轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造如圖7所示。

        圖7 轉(zhuǎn)向塊設(shè)計(jì)構(gòu)造(單位:cm)

        通過精細(xì)化分析后,考慮對原橋結(jié)構(gòu)影響降到最低,由頂板和底板之間采用錨板和槽鋼連接成整體,在索形上盡量對頂?shù)装瀹a(chǎn)生較小的應(yīng)力。在梁端部和跨中的索力單向較大處采用混凝土轉(zhuǎn)向塊方式解決其附加應(yīng)力(圖8)。

        3.2 腹板加固

        根據(jù)對腹板的精細(xì)化分析,原橋結(jié)構(gòu)在腹板箍筋上配置是滿足結(jié)構(gòu)要求,但是對于縱向鋼筋配置偏弱,在相應(yīng)節(jié)段增加順橋向鋼筋布置。本次采用了粘貼鋼板方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),鋼板與腹板混凝土間壓力注膠。鋼板采用厚度為10 mm條狀鋼板,條帶寬度100 mm,條帶間距為250 mm。鋼板順橋向粘貼,與腹板一起承受剪力(圖9)。

        圖8 混凝土轉(zhuǎn)向塊體外束計(jì)算結(jié)果

        3.3 箱梁底板修復(fù)

        通過分析得知,底板裂縫由于曲線預(yù)應(yīng)力張拉和跨度較大引起,造成底板中間下緣開裂。加固方案是在底板外側(cè)粘貼張拉碳纖維板對其施加主動力增強(qiáng)其抗裂性,碳纖維板采用寬度50 mm,厚度為2 mm高強(qiáng)碳纖維板,彈性模量達(dá)到160 GPa,張拉力為0.4σcon。布置間距為近跨中段1 m,近橋墩段為1.2 m。同時在每個階段底板增加4個邊長50 mm正方形通氣孔,開孔時注意避讓鋼筋和碳纖維板位置,并將原有通氣孔疏通(圖10)。

        圖9 腹板順橋向粘帖鋼板加固

        圖10 底板張拉碳纖維板控制其裂縫(單位:cm)

        4 加固前后比較

        采用以上方案加固完成后與原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)受力比較圖如圖11。

        圖11 加固后應(yīng)力和原橋應(yīng)力的對比

        計(jì)算結(jié)果顯示,本方案開裂部分梁段的主拉應(yīng)力能夠有效降低。開裂部分梁段的主拉應(yīng)力降低明顯,梁段的主拉應(yīng)力均減小至2.1 MPa以下。

        圖12 加固后主橋豎向位移減少量

        由圖12知邊跨最大抬升5.0 mm,中跨最大抬升9.0 mm。

        綜上,此類方式對主拉應(yīng)力的提高較為明顯和跨中撓度有局部提高和抑制其后期繼續(xù)下?lián)希_(dá)到預(yù)期加固目標(biāo)。

        5 加固成果監(jiān)測

        鑒于本橋結(jié)構(gòu)的特殊性,為更好地長期了解加固后大橋的運(yùn)營狀態(tài),應(yīng)對該橋長期監(jiān)測。搜集該橋運(yùn)營狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù),為大橋運(yùn)營管理和后期維護(hù)做好基礎(chǔ)工作。為進(jìn)行后期檢測,預(yù)埋了相應(yīng)的磁通量傳感器和壓力傳感器,便于后期掌握其相應(yīng)的索力數(shù)據(jù)(圖13)。

        監(jiān)測的過程為3年,第一年由于是剛完工,對橋梁整體影響較大,計(jì)劃在每季度測量一次,詳細(xì)了解加固過后效果和影響情況。第二年采用每半年測量一次,即在溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)測量,便于掌握在溫度影響下對橋梁長期變形和受力。第三年及以后為每年測量一次,了解橋梁營運(yùn)過程中長期的變化情況。長期運(yùn)營監(jiān)測的主要內(nèi)容:

        (1)主橋運(yùn)營期間撓度(包括主橋梁體撓度和橋墩的變位等)。

        (2)加固設(shè)計(jì)中設(shè)置的體外預(yù)應(yīng)力壓力傳感器和磁通量傳感器的測量(搜集后期體外預(yù)應(yīng)力索力隨后期運(yùn)營變化數(shù)據(jù))。

        (3)運(yùn)營過程中環(huán)境溫度變化對橋梁結(jié)構(gòu)的影響(在溫度改變過程中對橋梁撓度和體外預(yù)應(yīng)力索力的影響);以及箱內(nèi)外溫差引起腹板、梁體的受力變化等;

        圖13 高程觀測點(diǎn)的預(yù)埋位置

        (4)必要時對梁體特征斷面的應(yīng)力監(jiān)測(對全橋特征截面剪應(yīng)力、正應(yīng)力等測量)。

        結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)監(jiān)測為在橋梁橋面和橋墩上埋植測量點(diǎn),測量其相應(yīng)的橋梁變化撓度情況;結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力監(jiān)測為必要時(如測量的撓度變化大和索力變化大)結(jié)合相應(yīng)的車輛荷載來確定橋梁應(yīng)力變化;索力監(jiān)測為測量前期設(shè)置的壓力傳器和磁通量傳感器的數(shù)據(jù);溫度監(jiān)測為測量過程中隨時測量溫度變化和車輛變化對橋梁各數(shù)據(jù)的影響。

        繪制四個時間點(diǎn)下橋面高程的變化情況,分別對應(yīng)三個時段(圖14)。

        (1)時段一:2015年8月至2015年12月

        (2)時段二:2015年12月至2016年12月

        (3)時段三:2016年12月至2018年7月

        圖14 結(jié)構(gòu)在不同監(jiān)測時刻間的高程變化值

        圖14的橋面高程表明,在第一個時期,橋面整體下移約1.5~3.5 cm。在第二個時期,全橋的橋面高程發(fā)生了與第一個時期相反的變化,橋面整體上抬1.5~2.5 cm。在最后一個時期,結(jié)構(gòu)位移變化相對較穩(wěn)定,最大位移不超過1 cm。在體外預(yù)應(yīng)力的作用下,結(jié)構(gòu)變形慢慢趨于穩(wěn)定。

        由圖15可知近一半的鋼束錨下壓力減小值在4 %以內(nèi)說明體外預(yù)應(yīng)力的現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力總的趨勢在減小,所施加的預(yù)應(yīng)力隨著時間推移有減小趨勢,但是總體上變化越來越小。

        圖15 壓力傳感器測量結(jié)果變化(2018-2015)統(tǒng)計(jì)

        通過對結(jié)構(gòu)的長期觀察,本次加固后的變形和體外預(yù)應(yīng)力索力變化較小,能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求,達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期。

        6 結(jié)束語

        通過對該橋的病害處治和運(yùn)營階段監(jiān)控監(jiān)測,本次采用體外索加固方式到達(dá)了預(yù)期效果,抑制了腹板的進(jìn)一步開裂和跨中的進(jìn)一步下?lián)?,提高了整個橋梁的承載能力。通過本項(xiàng)目的維修加固方式對后期此類橋梁的設(shè)計(jì)和施工有一定參考價值。

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