大跨度混凝土連續(xù)梁橋長期下?lián)霞庸谭桨秆芯?/h1>
2021-07-13 08:14:44劉鮮慶周曉宇賈曉明
城市道橋與防洪 2021年6期
劉鮮慶，周曉宇，賈曉明
［1.上海市城市建設(shè)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200125；2.靖邊縣市政設(shè)施管護(hù)中心，陜西 靖邊718500］
0 引 言
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，行車平順，經(jīng)濟(jì)性好，在我國始建于20世紀(jì)60年代。20世紀(jì)末開始，大跨徑混凝土連續(xù)梁橋在我國公路、城市建設(shè)中得到大量運(yùn)用。近年來，大跨度連續(xù)梁橋的病害逐漸暴露出來，其中跨的長期下?lián)鲜潜容^典型的病害之一。
大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁經(jīng)過5~10 a的運(yùn)營，由徐變引起的下?lián)弦话阙呌诜€(wěn)定。但若建成后橋梁跨中下?lián)祥L期增長，使其長期撓度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)計(jì)算的預(yù)計(jì)值，將影響行車舒適性及安全性，且持續(xù)下?lián)蠒?huì)伴隨混凝土開裂，降低結(jié)構(gòu)剛度，從而加速下?lián)蟍1]。
1 工程概況
某城市軌道交通橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑布置為75.5 m+129.0 m+75.5 m，與高速公路斜交約46°。橋梁上部結(jié)構(gòu)縱向采用變高度：中支點(diǎn)梁高8.0 m、邊支點(diǎn)梁高4.0 m、跨中梁高4.0 m，梁底按1.8次拋物線線型變化。箱梁采用單箱單室直腹板形式，箱梁頂寬9.5 m，底寬5.4 m，懸臂板長度2.05 m。
橋梁上部結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)體施工工法，中支點(diǎn)上長127 m箱梁沿橋下高速采用滿堂支架施工；拆除支架后，懸臂端下?lián)霞s90 mm，與設(shè)計(jì)不符，轉(zhuǎn)體合攏后在墩頂加索，上抬約32 mm。
2 監(jiān)測情況及下?lián)显蚍治?/h2>
成橋后對橋梁道床標(biāo)高情況進(jìn)行觀測記錄，圖1為橋梁中跨跨中撓度曲線。由圖1可見，橋梁中跨跨中撓度總體呈現(xiàn)逐年增大趨勢。根據(jù)檢測單位數(shù)據(jù)，橋梁中跨下?lián)献畲鬄?020年12月，數(shù)值為66 mm，遠(yuǎn)大于最初的設(shè)計(jì)值，但未觀測到裂縫。
圖1 成橋后中跨跨中撓度變化
根據(jù)施工過程以及后續(xù)運(yùn)營各階段的情況，從預(yù)應(yīng)力損失和混凝土的收縮徐變特性上進(jìn)行參數(shù)化的模擬計(jì)算分析。通過調(diào)整T構(gòu)狀態(tài)下的預(yù)應(yīng)力損失及混凝土的收縮徐變系數(shù)，模擬與實(shí)測值吻合的成橋后中跨跨中撓度曲線，并預(yù)測20 a后該撓度將達(dá)到約80 mm，如圖2所示。
此外，支座摩阻力使橋梁中跨跨中撓度隨溫度起伏而變化的數(shù)值約為5 mm；在運(yùn)營5 a后，支座摩阻力增大，使橋梁中跨跨中撓度在冬夏季的變化達(dá)10 mm。
2019年8月對該橋梁進(jìn)行了靜載試驗(yàn)。在2列列車加載的靜載工況下，控制截面實(shí)測撓度和應(yīng)變均小于理論計(jì)算值；實(shí)測撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.72，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.32~0.82，相對殘余均小于20%。說明在整個(gè)加載過程中，結(jié)構(gòu)均處于彈性工作階段，各控制截面在試驗(yàn)荷載作用下受力正常。試驗(yàn)前后及過程中分別對支座、箱梁以及墩柱等構(gòu)件進(jìn)行了外觀跟蹤檢查，均未監(jiān)測到有裂縫出現(xiàn)或開展。
模擬計(jì)算數(shù)據(jù)及靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該橋梁結(jié)構(gòu)目前是安全的，中跨下?lián)现饕尚熳円?。施工過程中T構(gòu)狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力不足，造成過大的初始撓度；采用的混凝土收縮徐變系數(shù)較大，在使用過程中使撓度迅速發(fā)展，而支座摩阻力增大又使撓度隨溫度起伏的變化幅度增加[2]。
為控制橋梁中跨跨中撓度繼續(xù)增大，將對原結(jié)構(gòu)實(shí)施加固方案。
3 體外預(yù)應(yīng)力加固方案
如圖3所示，在箱室內(nèi)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力鋼束，利用中跨跨中隔板為轉(zhuǎn)向塊，兩側(cè)錨固在中墩橫梁處。鋼束規(guī)格為19-φs15.2，共8束，張拉控制應(yīng)力取0.65 fpk（fpk為預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），張拉力合計(jì)約2 500 t。對中墩橫梁進(jìn)行局部加強(qiáng)，張拉側(cè)加厚1 m，背側(cè)加厚0.4 m，錨固側(cè)箱室內(nèi)頂板腹板均用鋼板加強(qiáng)，如圖4所示。
圖3 體外預(yù)應(yīng)力加固立面示意（單位：mm）
圖4中支橫梁加強(qiáng)示意（單位：mm）
圖5 為僅在體外索荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖。由圖5可見：梁截面上緣受壓，跨中壓應(yīng)力為-1.0 MPa，中支點(diǎn)壓應(yīng)力為-1.4 MPa；梁截面下緣跨中受壓，產(chǎn)生的壓應(yīng)力為-6.1 MPa，中支點(diǎn)下緣受拉，拉應(yīng)力為0.4 MPa，能夠較好地改善結(jié)構(gòu)的受力情況。
圖5體外索作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖（單位：MP a）
圖6 為在體外索荷載作用下，中跨跨中撓度隨時(shí)間的變化曲線。由圖6可見：中跨跨中發(fā)生向上的瞬時(shí)位移，約為26 mm；經(jīng)過20 a長期發(fā)展后，與未實(shí)施加固相比，中跨跨中撓度改善可達(dá)32 mm，較好地改善了原結(jié)構(gòu)的撓度。
圖6 體外索作用下中跨跨中撓度變化趨勢
由于張拉力較大，采用局部實(shí)體模型分析體外索張拉力作用下的中橫梁局部應(yīng)力狀態(tài)。
建立中支點(diǎn)位置長12 m梁段實(shí)體模型，如圖7所示。約束支點(diǎn)位置單元節(jié)點(diǎn)平動(dòng)自由度近似節(jié)段梁邊界條件，兩端斷面位置內(nèi)力邊界通過Midas桿系模型提取施加。
圖7 中支點(diǎn)實(shí)體模型
中橫梁張拉側(cè)主要受壓，圖8為張拉力與兩端實(shí)際內(nèi)力狀態(tài)組合作用下的中橫梁張拉側(cè)應(yīng)力云圖（顯示截面以混凝土受拉為正）。由圖8可見，在體外索張拉力和梁體實(shí)際內(nèi)力組合下，橫隔板張拉側(cè)受壓，橫橋向應(yīng)力最大壓應(yīng)力為5.0 MPa，大部分區(qū)域壓應(yīng)力約為2.0 MPa，豎向最大壓應(yīng)力約為4 MPa，在張拉點(diǎn)附近取得；豎向局部區(qū)域受拉，平均應(yīng)力約為0.5 MPa，深度約為0.4 m，受拉區(qū)鋼筋為φ16@100，設(shè)2層，鋼筋應(yīng)力為55 MPa。
圖8 中橫梁張拉側(cè)應(yīng)力云圖（單位：MP a）
中橫梁張拉背側(cè)主要受橫向拉力。圖9為中橫梁張拉力和梁段端部實(shí)際內(nèi)力邊界條件下，張拉背側(cè)橫橋向應(yīng)力云圖。由圖9可見，中橫梁張拉背側(cè)整體受拉，最大拉應(yīng)力約為2.0 MPa，深度約為0.4 m，大部分范圍拉應(yīng)力為0.8~1.0 M Pa；背側(cè)鋼筋直徑為16 mm，間距100 mm，最大鋼筋應(yīng)力為99 MPa。
圖9中橫梁張拉背側(cè)應(yīng)力云圖（單位：MP a）
圖10 為中橫梁張拉側(cè)頂板、腹板順橋向應(yīng)力云圖。由圖10可見，在張拉力作用下，中橫梁與頂板連接位置存在約1.5 m（橫橋向）×0.4 m（順橋向）的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力深度約為50~300 mm，拉應(yīng)力水平約為1.8~3.6 MPa；采用厚5 mm Q345B鋼板加強(qiáng)，順橋向加強(qiáng)長度為4 m，鋼板應(yīng)力約為162 MPa。對于腹板，在張拉力作用下，中橫梁與腹板連接位置存在約4 m（豎向）×1.0 m（順橋向）的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力深度約為400 mm，拉應(yīng)力水平約為0.8~2.0 MPa；腹板全高采用粘貼厚5 mm Q345B鋼板加強(qiáng)，順橋向加強(qiáng)長度為4 m，鋼板應(yīng)力約為112 MPa。
圖10 中橫梁張拉側(cè)頂板、腹板順橋向應(yīng)力云圖（單位：MP a）
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該方案能瞬時(shí)減小中跨跨中撓度約26 mm。發(fā)展20 a后，與未加固比較，該撓度減小約32 mm；加固的張拉力對原結(jié)構(gòu)中橫梁處頂板、腹板將產(chǎn)生一定不利影響，采取外貼鋼板加固的方式，可將不利影響控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。
4 外結(jié)構(gòu)加固
從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來看，體外索加固的效果往往并不理想[3]。因此提出新建外結(jié)構(gòu)的加固方案，并與箱室內(nèi)體外索方案進(jìn)行比較。
本工程中，加固的主要目的是控制中跨跨中的繼續(xù)下?lián)?，因此考慮在跨中施加一個(gè)彈性約束，來達(dá)到這一效果。
圖11為在中跨跨中施加豎直向上的荷載（1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN）后，跨中撓度的變化情況。由圖11可知：在1 000 kN豎向力作用下，跨中瞬時(shí)撓度可減小18 mm；經(jīng)過20 a長期發(fā)展后，與未施加向上荷載時(shí)相比，跨中撓度可減小約30 mm。
圖11 豎向力作用下的跨中撓度變化曲線
同時(shí)，在1 000 kN豎向力作用下，跨中下緣壓應(yīng)力增加約1.6 MPa，支點(diǎn)上緣拉應(yīng)力減小約0.3 MPa，能略微改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；中支點(diǎn)反力減小約660 kN，邊支點(diǎn)反力增大約180 kN，有利于利用中墩基礎(chǔ)新建外結(jié)構(gòu)。
4.1 拱架加固方案
如圖12所示，在原結(jié)構(gòu)中跨新建簡支系桿拱架，支撐在中墩承臺(tái)上，拱架跨中設(shè)橫梁；在連續(xù)梁底吊桿與橫梁連接，張拉后托住原連續(xù)梁。
圖12 拱架加固方案平面立面
拱架采用鋼結(jié)構(gòu)，矢高25 m，拱肋尺寸為2 m×1.7 m，系梁為1 m×1 m，2片拱肋間設(shè)置5道X型風(fēng)撐，吊桿采用12-φs15.2鋼絞線；跨中橫梁高1 m，于連續(xù)梁底板間設(shè)置墊塊，橫向側(cè)設(shè)擋塊，4個(gè)吊點(diǎn)張拉力合計(jì)1 000 kN。
該方案中墩基礎(chǔ)增加荷載約4 970 kN，由于基礎(chǔ)采用24根φ1.2 m鉆孔樁，單樁承載力設(shè)計(jì)值約6 500 kN，每根樁增加豎向力207 kN；邊墩基礎(chǔ)增加荷載160 kN，每根樁基增加約13 kN，對樁基的安全性基本無影響。
圖13為在100 t荷載作用下的拱架撓度值。此時(shí)拱架撓度為17 mm，拱架剛度為58 823 kN/m；而主梁剛度為55 555 kN/m，略小于拱架剛度，因此新建拱架能有效控制原連續(xù)梁的徐變下?lián)稀?/p>
圖13拱架加固方案下的拱架撓度（單位：mm）
圖14 為在恒載作用下的拱架應(yīng)力情況。由圖14可見，拱架最大應(yīng)力為141 MPa，因此拱架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。
圖14 拱架加固方案下的拱架應(yīng)力（單位：MP a）
4.2 斜拉加固方案
如圖15所示，利用中墩承臺(tái)新建橋塔，邊墩位置新建地錨，中跨跨中設(shè)橫梁；在連續(xù)梁梁底設(shè)1對通長拉索，通過塔頂、跨中橫梁的轉(zhuǎn)向裝置錨固在地錨處，張拉后在跨中托住原連續(xù)梁。
圖15 斜拉加固方案下的拱架應(yīng)力（單位：MP a）
利用中墩承臺(tái)新建橋塔，橋塔截面尺寸為2 m×1.7 m，橋面以上高25 m，下部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并與主橋主墩相連；橋塔上部采用鋼結(jié)構(gòu)，減輕重量；拉索采用12-φs15.2鋼絞線，拉索力為600 kN；跨中橫梁高1 m，于連續(xù)梁底板間設(shè)置墊塊，橫向側(cè)設(shè)擋塊。
圖16為地錨平面圖。地錨基礎(chǔ)與原橋梁基礎(chǔ)完全分離，地錨承臺(tái)高2 m，設(shè)置16根φ800 mm鉆孔灌注樁，樁長50 m；承臺(tái)前側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土擋土墻，墻厚0.8 m，埋深6 m。根據(jù)勘察資料復(fù)核，地錨基礎(chǔ)能承擔(dān)約6 000 kN水平荷載，對應(yīng)于跨中提供的豎向力為5 400 kN，不僅可滿足加固的要求，還能預(yù)留索力調(diào)節(jié)空間。
圖16 地錨平面（單位：mm）
該方案中墩基礎(chǔ)增加荷載約2 988 kN，每根樁增加豎向力125 kN，邊墩基礎(chǔ)增加荷載160 kN，每根樁基增加約13 kN，對樁基的安全性基本無影響。
5 結(jié)語
（1）箱室內(nèi)加體外索不改變結(jié)構(gòu)外觀，可適當(dāng)控制中跨跨中撓度，減小中跨跨中撓度約26 mm。但由于張拉力較大，對結(jié)構(gòu)本身將產(chǎn)生一定不利影響，需采取局部加強(qiáng)措施；此外，由于荷載試驗(yàn)中實(shí)測橋梁的剛度大于計(jì)算值，以及預(yù)應(yīng)力鋼束的松弛效應(yīng)，實(shí)際應(yīng)用中對中跨跨中撓度的改善效果將小于理論計(jì)算值，且箱室內(nèi)空間已全部占用，無法預(yù)留再次加固的條件。
（2）新建外結(jié)構(gòu)的加固方案受力明確，對原結(jié)構(gòu)影響小，能夠有效地改善中跨跨中撓度，并且可以通過調(diào)整索力來動(dòng)態(tài)控制該撓度發(fā)展。但是，由于外結(jié)構(gòu)新建的施工難度較大，尤其是在中跨跨越河流或者高速公路時(shí)，且費(fèi)用較高；此外，該方案將較大地改變原結(jié)構(gòu)外觀，帶來一定的社會(huì)影響。
（3）2種加固方案各有利弊，實(shí)際應(yīng)用中需綜合考慮。在原結(jié)構(gòu)不存在承載力不足的安全問題，僅需對由徐變引起的撓度稍加控制的情況下，可采用箱室內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力方案；當(dāng)原結(jié)構(gòu)已存在結(jié)構(gòu)安全問題，繼續(xù)下?lián)蠈韲?yán)重事故的情況下，宜采用外結(jié)構(gòu)加固方案。
猜你喜歡
橢圓管單管拱架日光溫室結(jié)構(gòu)性能分析農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)(2022年5期)2022-06-22 12:10:58 軟橫跨改軟索式硬橫梁研究減速頂與調(diào)速技術(shù)(2020年3期)2021-01-18 06:30:30 U型鋼柔性拱架承載能力及穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究*機(jī)械研究與應(yīng)用(2020年5期)2020-11-18 23:19:36 基于CFD的螺旋槳拉力確定方法航空發(fā)動(dòng)機(jī)(2020年3期)2020-07-24 09:03:16 基于鋼橫梁剛度折減的鋼板組合梁地震響應(yīng)分析工程與建設(shè)(2019年4期)2019-10-10 01:45:46 復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道型鋼拱架協(xié)同支護(hù)研究鐵道建筑(2018年9期)2018-11-07 02:59:50 立式車床高精度、高剛度進(jìn)給式橫梁設(shè)計(jì)制造技術(shù)與機(jī)床(2018年9期)2018-09-19 06:48:14 隧道拱架壁后空洞對拱架承載力影響的數(shù)值模擬分析建筑施工(2018年12期)2018-04-04 03:38:08 自不量力發(fā)明與創(chuàng)新·中學(xué)生(2018年2期)2018-02-07 20:23:21 跟蹤導(dǎo)練（三）（3）時(shí)代英語·高二(2017年4期)2017-08-11 07:37:57
劉鮮慶，周曉宇，賈曉明
［1.上海市城市建設(shè)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200125；2.靖邊縣市政設(shè)施管護(hù)中心，陜西 靖邊718500］
0 引 言
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，行車平順，經(jīng)濟(jì)性好，在我國始建于20世紀(jì)60年代。20世紀(jì)末開始，大跨徑混凝土連續(xù)梁橋在我國公路、城市建設(shè)中得到大量運(yùn)用。近年來，大跨度連續(xù)梁橋的病害逐漸暴露出來，其中跨的長期下?lián)鲜潜容^典型的病害之一。
大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁經(jīng)過5~10 a的運(yùn)營，由徐變引起的下?lián)弦话阙呌诜€(wěn)定。但若建成后橋梁跨中下?lián)祥L期增長，使其長期撓度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)計(jì)算的預(yù)計(jì)值，將影響行車舒適性及安全性，且持續(xù)下?lián)蠒?huì)伴隨混凝土開裂，降低結(jié)構(gòu)剛度，從而加速下?lián)蟍1]。
1 工程概況
某城市軌道交通橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑布置為75.5 m+129.0 m+75.5 m，與高速公路斜交約46°。橋梁上部結(jié)構(gòu)縱向采用變高度：中支點(diǎn)梁高8.0 m、邊支點(diǎn)梁高4.0 m、跨中梁高4.0 m，梁底按1.8次拋物線線型變化。箱梁采用單箱單室直腹板形式，箱梁頂寬9.5 m，底寬5.4 m，懸臂板長度2.05 m。
橋梁上部結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)體施工工法，中支點(diǎn)上長127 m箱梁沿橋下高速采用滿堂支架施工；拆除支架后，懸臂端下?lián)霞s90 mm，與設(shè)計(jì)不符，轉(zhuǎn)體合攏后在墩頂加索，上抬約32 mm。
2 監(jiān)測情況及下?lián)显蚍治?/h2>
成橋后對橋梁道床標(biāo)高情況進(jìn)行觀測記錄，圖1為橋梁中跨跨中撓度曲線。由圖1可見，橋梁中跨跨中撓度總體呈現(xiàn)逐年增大趨勢。根據(jù)檢測單位數(shù)據(jù)，橋梁中跨下?lián)献畲鬄?020年12月，數(shù)值為66 mm，遠(yuǎn)大于最初的設(shè)計(jì)值，但未觀測到裂縫。
圖1 成橋后中跨跨中撓度變化
根據(jù)施工過程以及后續(xù)運(yùn)營各階段的情況，從預(yù)應(yīng)力損失和混凝土的收縮徐變特性上進(jìn)行參數(shù)化的模擬計(jì)算分析。通過調(diào)整T構(gòu)狀態(tài)下的預(yù)應(yīng)力損失及混凝土的收縮徐變系數(shù)，模擬與實(shí)測值吻合的成橋后中跨跨中撓度曲線，并預(yù)測20 a后該撓度將達(dá)到約80 mm，如圖2所示。
此外，支座摩阻力使橋梁中跨跨中撓度隨溫度起伏而變化的數(shù)值約為5 mm；在運(yùn)營5 a后，支座摩阻力增大，使橋梁中跨跨中撓度在冬夏季的變化達(dá)10 mm。
2019年8月對該橋梁進(jìn)行了靜載試驗(yàn)。在2列列車加載的靜載工況下，控制截面實(shí)測撓度和應(yīng)變均小于理論計(jì)算值；實(shí)測撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.72，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.32~0.82，相對殘余均小于20%。說明在整個(gè)加載過程中，結(jié)構(gòu)均處于彈性工作階段，各控制截面在試驗(yàn)荷載作用下受力正常。試驗(yàn)前后及過程中分別對支座、箱梁以及墩柱等構(gòu)件進(jìn)行了外觀跟蹤檢查，均未監(jiān)測到有裂縫出現(xiàn)或開展。
模擬計(jì)算數(shù)據(jù)及靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該橋梁結(jié)構(gòu)目前是安全的，中跨下?lián)现饕尚熳円?。施工過程中T構(gòu)狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力不足，造成過大的初始撓度；采用的混凝土收縮徐變系數(shù)較大，在使用過程中使撓度迅速發(fā)展，而支座摩阻力增大又使撓度隨溫度起伏的變化幅度增加[2]。
為控制橋梁中跨跨中撓度繼續(xù)增大，將對原結(jié)構(gòu)實(shí)施加固方案。
3 體外預(yù)應(yīng)力加固方案
如圖3所示，在箱室內(nèi)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力鋼束，利用中跨跨中隔板為轉(zhuǎn)向塊，兩側(cè)錨固在中墩橫梁處。鋼束規(guī)格為19-φs15.2，共8束，張拉控制應(yīng)力取0.65 fpk（fpk為預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），張拉力合計(jì)約2 500 t。對中墩橫梁進(jìn)行局部加強(qiáng)，張拉側(cè)加厚1 m，背側(cè)加厚0.4 m，錨固側(cè)箱室內(nèi)頂板腹板均用鋼板加強(qiáng)，如圖4所示。
圖3 體外預(yù)應(yīng)力加固立面示意（單位：mm）
圖4中支橫梁加強(qiáng)示意（單位：mm）
圖5 為僅在體外索荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖。由圖5可見：梁截面上緣受壓，跨中壓應(yīng)力為-1.0 MPa，中支點(diǎn)壓應(yīng)力為-1.4 MPa；梁截面下緣跨中受壓，產(chǎn)生的壓應(yīng)力為-6.1 MPa，中支點(diǎn)下緣受拉，拉應(yīng)力為0.4 MPa，能夠較好地改善結(jié)構(gòu)的受力情況。
圖5體外索作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖（單位：MP a）
圖6 為在體外索荷載作用下，中跨跨中撓度隨時(shí)間的變化曲線。由圖6可見：中跨跨中發(fā)生向上的瞬時(shí)位移，約為26 mm；經(jīng)過20 a長期發(fā)展后，與未實(shí)施加固相比，中跨跨中撓度改善可達(dá)32 mm，較好地改善了原結(jié)構(gòu)的撓度。
圖6 體外索作用下中跨跨中撓度變化趨勢
由于張拉力較大，采用局部實(shí)體模型分析體外索張拉力作用下的中橫梁局部應(yīng)力狀態(tài)。
建立中支點(diǎn)位置長12 m梁段實(shí)體模型，如圖7所示。約束支點(diǎn)位置單元節(jié)點(diǎn)平動(dòng)自由度近似節(jié)段梁邊界條件，兩端斷面位置內(nèi)力邊界通過Midas桿系模型提取施加。
圖7 中支點(diǎn)實(shí)體模型
中橫梁張拉側(cè)主要受壓，圖8為張拉力與兩端實(shí)際內(nèi)力狀態(tài)組合作用下的中橫梁張拉側(cè)應(yīng)力云圖（顯示截面以混凝土受拉為正）。由圖8可見，在體外索張拉力和梁體實(shí)際內(nèi)力組合下，橫隔板張拉側(cè)受壓，橫橋向應(yīng)力最大壓應(yīng)力為5.0 MPa，大部分區(qū)域壓應(yīng)力約為2.0 MPa，豎向最大壓應(yīng)力約為4 MPa，在張拉點(diǎn)附近取得；豎向局部區(qū)域受拉，平均應(yīng)力約為0.5 MPa，深度約為0.4 m，受拉區(qū)鋼筋為φ16@100，設(shè)2層，鋼筋應(yīng)力為55 MPa。
圖8 中橫梁張拉側(cè)應(yīng)力云圖（單位：MP a）
中橫梁張拉背側(cè)主要受橫向拉力。圖9為中橫梁張拉力和梁段端部實(shí)際內(nèi)力邊界條件下，張拉背側(cè)橫橋向應(yīng)力云圖。由圖9可見，中橫梁張拉背側(cè)整體受拉，最大拉應(yīng)力約為2.0 MPa，深度約為0.4 m，大部分范圍拉應(yīng)力為0.8~1.0 M Pa；背側(cè)鋼筋直徑為16 mm，間距100 mm，最大鋼筋應(yīng)力為99 MPa。
圖9中橫梁張拉背側(cè)應(yīng)力云圖（單位：MP a）
圖10 為中橫梁張拉側(cè)頂板、腹板順橋向應(yīng)力云圖。由圖10可見，在張拉力作用下，中橫梁與頂板連接位置存在約1.5 m（橫橋向）×0.4 m（順橋向）的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力深度約為50~300 mm，拉應(yīng)力水平約為1.8~3.6 MPa；采用厚5 mm Q345B鋼板加強(qiáng)，順橋向加強(qiáng)長度為4 m，鋼板應(yīng)力約為162 MPa。對于腹板，在張拉力作用下，中橫梁與腹板連接位置存在約4 m（豎向）×1.0 m（順橋向）的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力深度約為400 mm，拉應(yīng)力水平約為0.8~2.0 MPa；腹板全高采用粘貼厚5 mm Q345B鋼板加強(qiáng)，順橋向加強(qiáng)長度為4 m，鋼板應(yīng)力約為112 MPa。
圖10 中橫梁張拉側(cè)頂板、腹板順橋向應(yīng)力云圖（單位：MP a）
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該方案能瞬時(shí)減小中跨跨中撓度約26 mm。發(fā)展20 a后，與未加固比較，該撓度減小約32 mm；加固的張拉力對原結(jié)構(gòu)中橫梁處頂板、腹板將產(chǎn)生一定不利影響，采取外貼鋼板加固的方式，可將不利影響控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。
4 外結(jié)構(gòu)加固
從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來看，體外索加固的效果往往并不理想[3]。因此提出新建外結(jié)構(gòu)的加固方案，并與箱室內(nèi)體外索方案進(jìn)行比較。
本工程中，加固的主要目的是控制中跨跨中的繼續(xù)下?lián)?，因此考慮在跨中施加一個(gè)彈性約束，來達(dá)到這一效果。
圖11為在中跨跨中施加豎直向上的荷載（1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN）后，跨中撓度的變化情況。由圖11可知：在1 000 kN豎向力作用下，跨中瞬時(shí)撓度可減小18 mm；經(jīng)過20 a長期發(fā)展后，與未施加向上荷載時(shí)相比，跨中撓度可減小約30 mm。
圖11 豎向力作用下的跨中撓度變化曲線
同時(shí)，在1 000 kN豎向力作用下，跨中下緣壓應(yīng)力增加約1.6 MPa，支點(diǎn)上緣拉應(yīng)力減小約0.3 MPa，能略微改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；中支點(diǎn)反力減小約660 kN，邊支點(diǎn)反力增大約180 kN，有利于利用中墩基礎(chǔ)新建外結(jié)構(gòu)。
4.1 拱架加固方案
如圖12所示，在原結(jié)構(gòu)中跨新建簡支系桿拱架，支撐在中墩承臺(tái)上，拱架跨中設(shè)橫梁；在連續(xù)梁底吊桿與橫梁連接，張拉后托住原連續(xù)梁。
圖12 拱架加固方案平面立面
拱架采用鋼結(jié)構(gòu)，矢高25 m，拱肋尺寸為2 m×1.7 m，系梁為1 m×1 m，2片拱肋間設(shè)置5道X型風(fēng)撐，吊桿采用12-φs15.2鋼絞線；跨中橫梁高1 m，于連續(xù)梁底板間設(shè)置墊塊，橫向側(cè)設(shè)擋塊，4個(gè)吊點(diǎn)張拉力合計(jì)1 000 kN。
該方案中墩基礎(chǔ)增加荷載約4 970 kN，由于基礎(chǔ)采用24根φ1.2 m鉆孔樁，單樁承載力設(shè)計(jì)值約6 500 kN，每根樁增加豎向力207 kN；邊墩基礎(chǔ)增加荷載160 kN，每根樁基增加約13 kN，對樁基的安全性基本無影響。
圖13為在100 t荷載作用下的拱架撓度值。此時(shí)拱架撓度為17 mm，拱架剛度為58 823 kN/m；而主梁剛度為55 555 kN/m，略小于拱架剛度，因此新建拱架能有效控制原連續(xù)梁的徐變下?lián)稀?/p>
圖13拱架加固方案下的拱架撓度（單位：mm）
圖14 為在恒載作用下的拱架應(yīng)力情況。由圖14可見，拱架最大應(yīng)力為141 MPa，因此拱架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。
圖14 拱架加固方案下的拱架應(yīng)力（單位：MP a）
4.2 斜拉加固方案
如圖15所示，利用中墩承臺(tái)新建橋塔，邊墩位置新建地錨，中跨跨中設(shè)橫梁；在連續(xù)梁梁底設(shè)1對通長拉索，通過塔頂、跨中橫梁的轉(zhuǎn)向裝置錨固在地錨處，張拉后在跨中托住原連續(xù)梁。
圖15 斜拉加固方案下的拱架應(yīng)力（單位：MP a）
利用中墩承臺(tái)新建橋塔，橋塔截面尺寸為2 m×1.7 m，橋面以上高25 m，下部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并與主橋主墩相連；橋塔上部采用鋼結(jié)構(gòu)，減輕重量；拉索采用12-φs15.2鋼絞線，拉索力為600 kN；跨中橫梁高1 m，于連續(xù)梁底板間設(shè)置墊塊，橫向側(cè)設(shè)擋塊。
圖16為地錨平面圖。地錨基礎(chǔ)與原橋梁基礎(chǔ)完全分離，地錨承臺(tái)高2 m，設(shè)置16根φ800 mm鉆孔灌注樁，樁長50 m；承臺(tái)前側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土擋土墻，墻厚0.8 m，埋深6 m。根據(jù)勘察資料復(fù)核，地錨基礎(chǔ)能承擔(dān)約6 000 kN水平荷載，對應(yīng)于跨中提供的豎向力為5 400 kN，不僅可滿足加固的要求，還能預(yù)留索力調(diào)節(jié)空間。
圖16 地錨平面（單位：mm）
該方案中墩基礎(chǔ)增加荷載約2 988 kN，每根樁增加豎向力125 kN，邊墩基礎(chǔ)增加荷載160 kN，每根樁基增加約13 kN，對樁基的安全性基本無影響。
5 結(jié)語
（1）箱室內(nèi)加體外索不改變結(jié)構(gòu)外觀，可適當(dāng)控制中跨跨中撓度，減小中跨跨中撓度約26 mm。但由于張拉力較大，對結(jié)構(gòu)本身將產(chǎn)生一定不利影響，需采取局部加強(qiáng)措施；此外，由于荷載試驗(yàn)中實(shí)測橋梁的剛度大于計(jì)算值，以及預(yù)應(yīng)力鋼束的松弛效應(yīng)，實(shí)際應(yīng)用中對中跨跨中撓度的改善效果將小于理論計(jì)算值，且箱室內(nèi)空間已全部占用，無法預(yù)留再次加固的條件。
（2）新建外結(jié)構(gòu)的加固方案受力明確，對原結(jié)構(gòu)影響小，能夠有效地改善中跨跨中撓度，并且可以通過調(diào)整索力來動(dòng)態(tài)控制該撓度發(fā)展。但是，由于外結(jié)構(gòu)新建的施工難度較大，尤其是在中跨跨越河流或者高速公路時(shí)，且費(fèi)用較高；此外，該方案將較大地改變原結(jié)構(gòu)外觀，帶來一定的社會(huì)影響。
（3）2種加固方案各有利弊，實(shí)際應(yīng)用中需綜合考慮。在原結(jié)構(gòu)不存在承載力不足的安全問題，僅需對由徐變引起的撓度稍加控制的情況下，可采用箱室內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力方案；當(dāng)原結(jié)構(gòu)已存在結(jié)構(gòu)安全問題，繼續(xù)下?lián)蠈韲?yán)重事故的情況下，宜采用外結(jié)構(gòu)加固方案。
猜你喜歡
農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)(2022年5期)2022-06-22 12:10:58
減速頂與調(diào)速技術(shù)(2020年3期)2021-01-18 06:30:30
機(jī)械研究與應(yīng)用(2020年5期)2020-11-18 23:19:36
航空發(fā)動(dòng)機(jī)(2020年3期)2020-07-24 09:03:16
工程與建設(shè)(2019年4期)2019-10-10 01:45:46
鐵道建筑(2018年9期)2018-11-07 02:59:50
制造技術(shù)與機(jī)床(2018年9期)2018-09-19 06:48:14
建筑施工(2018年12期)2018-04-04 03:38:08
發(fā)明與創(chuàng)新·中學(xué)生(2018年2期)2018-02-07 20:23:21
時(shí)代英語·高二(2017年4期)2017-08-11 07:37:57
