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        某預(yù)應(yīng)力混凝土T 型剛構(gòu)橋病害分析與處治對策研究

        2021-10-14 07:24:16
        甘肅科技 2021年17期
        關(guān)鍵詞:剛構(gòu)牛腿剛構(gòu)橋

        熊 杰

        (中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430052)

        T 型剛構(gòu)橋具有受力明確,外形美觀、施工快捷、墩梁之間無需設(shè)置大噸位支座的特點(diǎn)[1],且為靜定結(jié)構(gòu)體系,墩臺沉降不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)次內(nèi)力,是我國20 世紀(jì)建造數(shù)量較多的一種橋型。隨著幾十年的通車運(yùn)營,國內(nèi)T 型剛構(gòu)橋普遍暴露出一些問題:橋面伸縮縫多,橋面平順度差,行車舒適性差;橋梁縱向線形不良,T 構(gòu)懸臂端部下?lián)陷^大;牛腿部位構(gòu)造復(fù)雜,普遍存在裂縫等病害;梁體裂縫等[2-4]。目前,國內(nèi)采用體外預(yù)應(yīng)力加固是針對T 型剛構(gòu)橋較為常見的一種方法[5,6],該方法針對結(jié)構(gòu)嚴(yán)重下?lián)?,預(yù)應(yīng)力損失過大等問題處治效果較為明顯,但不能解決牛腿構(gòu)造引發(fā)的系列問題。

        連續(xù)剛構(gòu)橋具有橋面伸縮縫少、橋面平順性好、結(jié)構(gòu)整體剛度大等特點(diǎn),且與T 型剛構(gòu)橋類似,由于墩梁固結(jié)主墩處無需設(shè)置構(gòu)造復(fù)雜的大噸位支座,因此,考慮將T 型剛構(gòu)橋改造為連續(xù)剛構(gòu)橋即可改善由于T 構(gòu)牛腿引發(fā)的系列問題。該加固方法在國內(nèi)部分T 構(gòu)橋的維修加固上得到了應(yīng)用,但針對該方法的研究文獻(xiàn)較少。

        基于以上技術(shù)背景,結(jié)合某帶掛梁T 型剛構(gòu)橋,采用將原T 構(gòu)混凝土掛梁替換為鋼箱梁以減輕結(jié)構(gòu)自重,然后將鋼箱梁與原T 構(gòu)懸臂端采用特定方式進(jìn)行固結(jié),從而實(shí)現(xiàn)將T 構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,對該方法加固橋梁的結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行分析,對比橋梁加固前后的結(jié)構(gòu)性能,從理論上論證該方法的可行性與優(yōu)越性。

        1 橋梁概況

        某大橋采用三跨帶掛梁T 型剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)形式,跨徑組合為(29+53+29)m,邊、中跨掛梁長均為5m,橋面全寬8.5m。上部結(jié)構(gòu)主梁采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,主梁高度在主墩處為3.5m,懸臂端為1.5m,T 構(gòu)箱梁采用掛籃法施工。掛梁采用鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)形式,梁高1.5m。下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形截面空心墩,橫橋向長4m,順橋向?qū)?.8m,采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁荷載等級為:汽車-20、掛車-100。橋梁立面圖如圖1 所示,斷面圖如圖2 所示。

        圖1 橋梁立面布置圖(單位:)

        圖2 橋梁斷面布置圖

        2 橋梁病害分析

        通過近年來對橋梁外觀狀況檢查以及橋面線形的跟蹤觀測,發(fā)現(xiàn)主要問題如下:

        2.1 主梁中跨跨中下?lián)?/h3>

        該橋中跨范圍縱向軸線的橋面標(biāo)高小于設(shè)計(jì)標(biāo)高,在中跨掛梁位置附近存在明顯下?lián)馅厔荨 型剛構(gòu)橋下?lián)鲜悄壳霸擃悩蛐洼^為常見的一種病害,其成因復(fù)雜繁多,目前大量的研究成果表明:有效預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變作用、施工質(zhì)量等是引起T 構(gòu)橋下?lián)系闹匾蛩豙7-9]。另外,原橋的設(shè)計(jì)荷載等級為汽-20,掛-100,建造年代較早,隨著交通量、車輛軸載的不斷提高以及超載現(xiàn)象的時(shí)有發(fā)生,橋梁長期處于超負(fù)荷運(yùn)營狀態(tài),更加劇了結(jié)構(gòu)下?lián)霞傲后w開裂。

        2.2 懸臂端牛腿病害

        懸臂端牛腿應(yīng)力集中處產(chǎn)生橫向裂縫,掛梁與T 構(gòu)懸臂端產(chǎn)生一定程度錯位,橋面系伸縮縫破損嚴(yán)重。牛腿與掛梁接觸點(diǎn)可近似看成集中力作用,牛腿應(yīng)力集中。另外,該橋運(yùn)營過程中,T 構(gòu)箱梁懸臂端振動明顯,車輛經(jīng)過此處沖擊作用較大,更加劇了牛腿病害的發(fā)展。

        2.3 結(jié)構(gòu)振動大、沖擊作用大

        橋梁運(yùn)營過程中,振動較大,車輛通過牛腿頂部橋面跳車,沖擊作用較大。該橋T 型剛構(gòu)體系為靜定結(jié)構(gòu),在恒載以及活載作用下,T 構(gòu)懸臂端部的撓度比同樣跨徑的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)大,結(jié)構(gòu)整體剛度小,在車輛荷載作用下,結(jié)構(gòu)振動幅值較大。結(jié)構(gòu)明顯的振動可能加劇構(gòu)件的疲勞作用,從而減低構(gòu)件的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

        2.4 箱梁腹板斜裂縫

        箱梁腹板均有一定斜向裂縫,與水平方向夾角35°~50°,裂縫間距為50~100cm,在1/4 跨徑附近較為集中,最大縫寬0.20mm。有效預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、超載、施工缺陷等因素同樣也是導(dǎo)致混凝土梁體開裂的重要原因。

        3 處治對策分析

        由于老橋特殊的結(jié)構(gòu)形式,橋梁上部結(jié)構(gòu)豎向剛度較小,結(jié)構(gòu)振動大,另外橋梁的收縮徐變的影響,中跨下?lián)蠂?yán)重,加劇降低了橋梁使用過程行車舒適性??紤]老橋使用時(shí)間較長,橋梁的收縮徐變以及基礎(chǔ)沉降已基本完成,針對提高橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度,減小主梁撓度方面著手進(jìn)行全面有效的處治。

        3.1 掛梁更換

        原結(jié)構(gòu)掛梁與主梁之間伸縮縫破損嚴(yán)重,主梁之間存在錯位,車輛駛過存在較大沖擊,且掛梁牛腿處存在嚴(yán)重裂縫病害,從結(jié)構(gòu)安全性與長期性角度考慮,應(yīng)對其進(jìn)行改造。掛梁改造采用將其更換為鋼箱梁的方案,一方面,采用鋼箱梁方案可節(jié)省現(xiàn)場施工時(shí)間,減小橋梁施工對現(xiàn)有交通的影響;另外一方面,將原來跨中5m 掛孔混凝土箱梁拆除,更換為鋼箱梁,可有效減小結(jié)構(gòu)自重,這對結(jié)構(gòu)受力是有利的。

        將原結(jié)構(gòu)混凝土掛梁更換為鋼結(jié)構(gòu)箱梁,相當(dāng)于減小T 構(gòu)主梁懸臂恒載,可使T 構(gòu)懸臂段的撓度以及T 構(gòu)主梁懸臂根部的負(fù)彎矩均有效減少,對橋梁結(jié)構(gòu)受力是有一定改善。通過理論計(jì)算分析,掛梁更換為鋼箱梁前后在恒載作用下結(jié)構(gòu)的受力變化見表1。

        表1 掛梁更換為鋼箱梁前后恒載作用下結(jié)構(gòu)受力變化

        3.2 結(jié)構(gòu)體系改造

        考慮結(jié)構(gòu)的收縮徐變以及基礎(chǔ)沉降已基本完成,不計(jì)收縮徐變以及基礎(chǔ)沉降對結(jié)構(gòu)影響,對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行改變,增加橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度,具體做法為將原結(jié)構(gòu)混凝土掛梁更換為鋼箱梁后,采用特定的方式將鋼箱梁與T 構(gòu)懸臂端固結(jié)保持鋼混結(jié)合部位的變形協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)將原T 構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,從而有效提高結(jié)構(gòu)整體剛度。結(jié)構(gòu)改造示意圖如圖3 所示。

        圖3 結(jié)構(gòu)改造示意圖

        鋼箱梁與混凝土箱梁的連續(xù)采用高強(qiáng)錨固螺栓連接以實(shí)現(xiàn)鋼混結(jié)合部位的變形協(xié)調(diào),在鋼箱梁與混凝土連接端部設(shè)置隔倉作為鋼混過渡段,另外在鋼混結(jié)合部位設(shè)置豎向、順橋向錨栓以實(shí)現(xiàn)鋼箱梁與混凝土箱梁固結(jié),鋼混連接段示意圖如圖4 所示。

        圖4 鋼混結(jié)合部位連接示意圖

        結(jié)構(gòu)體系改變后,原T 構(gòu)靜定體系改造為超靜定體系,結(jié)構(gòu)的豎向基頻明顯增大,由原來的1.8Hz增大為3.4Hz,結(jié)構(gòu)體系改變提高了結(jié)構(gòu)整體剛度以及改善結(jié)構(gòu)動力性能。在活載作用下結(jié)構(gòu)墩頂負(fù)彎矩及原T 構(gòu)懸臂端最大撓度均得到較大幅度的改善,通過理論計(jì)算分析,結(jié)構(gòu)體系改變前后在活載作用下結(jié)構(gòu)的受力變化見表2。

        表2 結(jié)構(gòu)體系改變前后活載作用下結(jié)構(gòu)受力變化

        3.3 跨中抗彎加固措施

        對于原結(jié)構(gòu)形式,T 構(gòu)懸臂端在恒載以及后期活載作用下始終承受負(fù)彎矩作用,截面下緣未設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束,然而將原T 型剛構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)形式后,在后期活載以及部分恒載作用下,跨中段將產(chǎn)生正彎矩作用,跨中段截面下緣將可能產(chǎn)生拉應(yīng)力,對于結(jié)構(gòu)受力較為不利,因此,有必要考慮最不利荷載工況組合下對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生拉應(yīng)力的區(qū)域進(jìn)行分析以采取有效的加固補(bǔ)強(qiáng)措施。通過理論計(jì)算分析,在恒載、活載以及溫度變化作用下,中、邊跨原T 構(gòu)懸臂端部附近截面下緣將產(chǎn)生拉應(yīng)力,最大拉應(yīng)力位置位于原T 構(gòu)懸臂端部,中跨跨中產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)域長度為21.0m(含鋼箱梁在內(nèi)),邊跨產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)域長度為11.0m(含鋼箱梁在內(nèi))。

        因此,在中跨以及邊跨對應(yīng)截面下緣產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)域箱梁底板內(nèi)外側(cè)粘貼鋼板加固以承擔(dān)該區(qū)域內(nèi)拉應(yīng)力作用?;炷料淞旱装逭迟N鋼板加固示意圖如圖5 所示。

        圖5 混凝土箱梁底板粘貼鋼板加固示意圖

        4 結(jié)論

        就某帶掛梁T 型剛構(gòu)橋改造為連續(xù)剛構(gòu)體系加固方法進(jìn)行了理論分析,探討了由改變結(jié)構(gòu)體系T 型剛構(gòu)橋加固方法帶來結(jié)構(gòu)性能變化,主要得出如下結(jié)論:

        (1)將原T 剛構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)后,在恒載作用下,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)及位移均比改造之前有所減小,由于該橋掛梁長度短,替換為鋼箱梁后,能夠減輕自重,但對結(jié)構(gòu)恒載作用下的內(nèi)力狀態(tài)及位移改善不明顯。

        (2)將原T 剛構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)后,在活載作用下,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)及位移均比改造之前得到較大程度減小,這說明,改變結(jié)構(gòu)體系后,結(jié)構(gòu)整體剛度得到較大提升,也就是說,在同樣荷載等級下,改變結(jié)構(gòu)體系后結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力比改造之前要小得多。

        (3)由于原T 構(gòu)箱梁截面底板未配置預(yù)應(yīng)力鋼束,改變結(jié)構(gòu)體系之后,在最不利荷載組合作用下,原T 構(gòu)懸臂端附近截面下緣可能產(chǎn)生拉應(yīng)力,需在箱梁截面下緣產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)域底板內(nèi)外側(cè)粘貼鋼板以抵抗此范圍內(nèi)的拉應(yīng)力作用。

        (4)將原T 剛構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)后,結(jié)構(gòu)動力特性也得到了較大的改善。同時(shí),結(jié)構(gòu)連續(xù),消除了橋面多處伸縮縫,橋面行車舒適性也得到了較大的提升。

        綜上所述,采用將T 型剛構(gòu)橋改造為連續(xù)剛構(gòu)橋的加固方法能夠達(dá)到改善結(jié)構(gòu)受力特性,增大橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度,減小跨中下?lián)希岣呓Y(jié)構(gòu)的整體承載性能的加固效果;同時(shí),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連續(xù),可以改善牛腿受力狀態(tài),增強(qiáng)橋面行車舒適性。該方法所采取的措施是合理可行的,取得的效果是明顯的,該維修加固對策可供同類工程借鑒。

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