劉陸平 單巍巍 駱佐龍

(1.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司合肥設(shè)計(jì)院 合肥 230001;2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 合肥 230093; 3.山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院 太原 030031)

目前,國(guó)內(nèi)外預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中普遍出現(xiàn)了不同程度的開裂、下?lián)系炔『1-2]。體外束加固作為一種主動(dòng)加固技術(shù),在增加結(jié)構(gòu)自重較小的情況下能夠從根本上恢復(fù)或提高結(jié)構(gòu)承載能力,抑制結(jié)構(gòu)下?lián)吓c裂縫發(fā)展,且施工工藝簡(jiǎn)單,對(duì)橋下凈空影響較小,因此廣泛應(yīng)用于連續(xù)剛構(gòu)病害處置與維修加固過(guò)程中[3-4]。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)體外束加固連續(xù)剛構(gòu)計(jì)算理論、設(shè)計(jì)方法,以及施工工藝均開展了比較系統(tǒng)的研究,并且取得了一些有價(jià)值的結(jié)論[5-7],部分研究成果已納入國(guó)家、行業(yè)規(guī)范。對(duì)于體外束加固連續(xù)剛構(gòu)而言,存在一個(gè)合理加固時(shí)機(jī)的選擇問(wèn)題,即當(dāng)連續(xù)剛構(gòu)開裂、下?lián)习l(fā)展到何種程度時(shí)進(jìn)行體外束加固,加固時(shí)機(jī)過(guò)早或過(guò)晚,均不利于發(fā)揮體外束良好的加固作用。對(duì)于上述問(wèn)題,有學(xué)者從結(jié)構(gòu)承載能力、剛度、裂縫寬度的角度,提出了連續(xù)剛構(gòu)體外束加固合理時(shí)機(jī),但結(jié)論較為籠統(tǒng),未對(duì)體外束合理加固時(shí)機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步量化分析[8]。同時(shí)通過(guò)對(duì)既有連續(xù)剛構(gòu)體外束加固實(shí)踐調(diào)研發(fā)現(xiàn),加固時(shí)機(jī)的確定尚無(wú)統(tǒng)一參考目標(biāo),有以撓度為參考,有以應(yīng)力為參考,還有兩者兼而有之,加固參考目標(biāo)尚無(wú)定論,導(dǎo)致加固時(shí)機(jī)選擇難度加大。

文中以一座體外束加固三跨連續(xù)剛構(gòu)為依托工程,擬進(jìn)行體外束合理加固時(shí)機(jī)的研究。通過(guò)參數(shù)敏感性分析,明確連續(xù)剛構(gòu)體外束加固過(guò)程中的主要控制參數(shù)及其取值范圍;基于最大主拉應(yīng)力-撓度耦合分析,提出該三跨連續(xù)剛構(gòu)外束合理加固時(shí)機(jī)。

1 依托工程簡(jiǎn)介

該橋梁位于渭南市澄城縣S202清渭線上,是一座跨越渭北地區(qū)黃土塬V形沖溝的特大橋,橋梁全長(zhǎng)428.6 m,橋面總寬12 m。主橋?yàn)?7 m+120 m+67 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),1996年12月建成通車。設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí),掛車-100,人群3.5 kN/m2。

橋梁定期檢查結(jié)果表明,主橋箱梁腹板存在較多斜向裂縫,裂縫間距20～30 cm;中跨跨中存在下?lián)铣潭容^大,頂、底板縱向裂縫較多等病害,主橋技術(shù)狀況為4類。

由于主橋中跨存在較大程度的下?lián)?且箱梁腹板存在大量斜向裂縫,裂縫寬度較寬,一定程度上削弱了主梁剛度,導(dǎo)致橋梁運(yùn)營(yíng)狀況惡化,影響結(jié)構(gòu)安全性能與正常使用性能。該橋加固設(shè)計(jì)采用在主橋張拉縱向體外束,使主跨跨中有一定的向上位移,抑制主梁下?lián)?同時(shí)抵消加固帶來(lái)的自重增加等不利影響,并適當(dāng)改善主梁應(yīng)力狀態(tài),提高承載能力。

2 病害參數(shù)敏感性分析

2.1 原結(jié)構(gòu)有限元模型驗(yàn)證

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外連續(xù)剛構(gòu)開裂、下?lián)喜『?并對(duì)病害形成原因、機(jī)理進(jìn)行分析,可以得出:引起連續(xù)剛構(gòu)開裂、下?lián)系闹饕蛴畜w內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失、截面損傷引起的剛度折減、混凝土徐變收縮、混凝土超方、活載增大效應(yīng),以及墩頂相對(duì)位移。因此,以下主要考慮上述6個(gè)因素,采用有限元數(shù)值模擬進(jìn)行病害參數(shù)敏感性分析,有限元模型示意見圖1。為驗(yàn)證上述有限元模型的準(zhǔn)確性,首先對(duì)依托工程進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算,其作用效應(yīng)計(jì)算結(jié)果見圖2、圖3,承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果見圖4～圖7。

圖1 有限元模型示意

圖2 自重作用下結(jié)構(gòu)彎矩示意

圖4 持久狀況正截面抗彎驗(yàn)算包絡(luò)

圖5 持久狀況斜截面抗剪驗(yàn)算包絡(luò)

圖6 使用階段正截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)

圖7 使用階段斜截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)

2.2 病害參數(shù)敏感性分析

利用上述經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的有限元模型進(jìn)行病害參數(shù)敏感性分析,以體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失為例,分別考慮2%,5%,10%,20%,30%的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失,計(jì)算上述工況下結(jié)構(gòu)的最大主拉應(yīng)力與撓度,結(jié)果見表1。

表1 體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失影響分析結(jié)果

由表1可知,依托工程最大主拉應(yīng)力、最大撓度均隨著體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失的增加而增大,當(dāng)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失不超過(guò)10%時(shí),二者增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)平緩;超過(guò)10%后,增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯加速,整體上近似呈線性增長(zhǎng),直至結(jié)構(gòu)開裂。因此,體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失對(duì)結(jié)構(gòu)開裂、下?lián)嫌绊戄^大。

按照同樣的方法分析剛度折減、混凝土徐變收縮、混凝土超方、活載增大效應(yīng)、墩頂相對(duì)位移5個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力、撓度的影響,限于篇幅,計(jì)算過(guò)程從略。

為綜合考慮各因素對(duì)最大主拉應(yīng)力、撓度的影響,明確主要控制參數(shù),需對(duì)各個(gè)參數(shù)發(fā)生的概率及發(fā)生時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度進(jìn)行量化分析。參數(shù)敏感性量化分析思路為:首先對(duì)各個(gè)參數(shù)發(fā)生的概率進(jìn)行量化分析,以出現(xiàn)極端事件概率最小的參數(shù)為基本系數(shù),分別確定其他參數(shù)的相對(duì)概率系數(shù)[9];以各參數(shù)引起的結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力(撓度)最小變化數(shù)值為基本系數(shù),分別確定其他參數(shù)的相對(duì)變化系數(shù),最后以各參數(shù)的相對(duì)概率系數(shù)與相對(duì)變化系數(shù)的乘積作為參數(shù)敏感性量化分析結(jié)果,以敏感性系數(shù)表示。參考文獻(xiàn)[9],各參數(shù)相對(duì)概率系數(shù)取值見表2。

表2 各參數(shù)發(fā)生的相對(duì)概率系數(shù)

按照上述分析思路和計(jì)算流程,可以得到各計(jì)算參數(shù)對(duì)跨中撓度的影響。上述6個(gè)計(jì)算參數(shù)作用范圍、引起的跨中最大撓度變化值及撓度相對(duì)變化系數(shù)見表3。

表3 計(jì)算參數(shù)對(duì)撓度的影響及相對(duì)變化系數(shù)

將相對(duì)概率系數(shù)與相對(duì)變化系數(shù)的乘積作為敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果,以敏感性系數(shù)表示。敏感性系數(shù)反映了結(jié)構(gòu)撓度對(duì)計(jì)算參數(shù)變化的敏感程度,敏感性系數(shù)越大,表明結(jié)構(gòu)撓度對(duì)該參數(shù)的變化越敏感[10-11]。參數(shù)敏感性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表4 參數(shù)敏感性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4可知,對(duì)連續(xù)剛構(gòu)下?lián)陷^敏感的參數(shù)首先為活載放大效應(yīng)、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變,其次為截面剛度損傷,而混凝土超方、墩頂相對(duì)位移由于在施工過(guò)程中存在的質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié),其發(fā)生概率相對(duì)較小,因此對(duì)連續(xù)剛構(gòu)下?lián)嫌绊戄^小。以下將體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失作為主要控制參數(shù)進(jìn)行后續(xù)研究。

3 體外束合理加固時(shí)機(jī)

合理加固時(shí)機(jī)的確定應(yīng)以結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力、最大撓度為主要參考目標(biāo)。對(duì)于加固時(shí)結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力、撓度的閾值問(wèn)題,應(yīng)從加固前、后結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力、撓度變化的幅度、加固后結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力、撓度增長(zhǎng)趨勢(shì)等角度綜合考慮。

3.1 最大主拉應(yīng)力分析

在初始撓度分別為100,150,200,400 mm的條件下,分別考慮0,2%,5%,10%,20%,30%的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失,計(jì)算各工況加固前、后主梁最大主拉應(yīng)力。加固后(初始撓度400 mm,體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失20%)最大主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8 加固后最大主拉應(yīng)力云圖

計(jì)算其余工況下加固前、后主梁最大主拉應(yīng)力,結(jié)果見圖9。

圖9 不同工況下加固前、后最大主拉應(yīng)力變化曲線

由圖9可知,當(dāng)結(jié)構(gòu)初始撓度在150 mm左右時(shí),該階段采用體外預(yù)應(yīng)力加固后,主拉應(yīng)力隨即顯著降低,加固后的應(yīng)力曲線斜率與未加固相比有所降低,體外束加固效果較好;當(dāng)結(jié)構(gòu)初始撓度在250～400 mm時(shí),該階段采用體外束加固雖能夠降低結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力,但僅能保證結(jié)構(gòu)在體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失較小時(shí)的安全,加固后的最大主拉應(yīng)力曲線斜率與未加固相比較為接近,體外束加固效果不足以充分發(fā)揮。

3.2 撓度分析

在初始撓度分別為100,150,200,400 mm的條件下,分別考慮0,2%,5%,10%,20%,30%的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失,計(jì)算在上述各工況下加固前后主梁撓度,結(jié)果見圖10。由圖10可知,當(dāng)結(jié)構(gòu)初始撓度在150 mm左右時(shí),采用體外束加固后,結(jié)構(gòu)撓度明顯降低,且隨著后期體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失的增加,加固前后的撓度差值呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì),加固效果較好;當(dāng)結(jié)構(gòu)初始撓度在250～400 mm時(shí),該階段采用體外預(yù)應(yīng)力加固后的結(jié)構(gòu)撓度明顯降低,且隨著后期體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失的增加,加固前、后的撓度差值基本不變,加固效果較不明顯,且該階段由于結(jié)構(gòu)撓度過(guò)大,體外束加固不足以保證結(jié)構(gòu)安全。

圖10 不同工況下加固前后最大撓度變化曲線

3.3 依托工程合理加固時(shí)機(jī)的確定

據(jù)相關(guān)研究表明[12-13],連續(xù)剛構(gòu)應(yīng)力、撓度之間存在一定的耦合關(guān)系。利用3.1、3.2結(jié)果數(shù)據(jù),可以得到體外束加固前后結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力與最大撓度耦合關(guān)系散點(diǎn)圖,見圖11。

圖11 加固前、后最大主拉應(yīng)力與撓度耦合關(guān)系

由圖11可知,在體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失一定的條件下,最大主拉應(yīng)力與最大撓度之間近似呈正相關(guān),且最大撓度增幅大于最大主拉應(yīng)力增幅。以最大主拉應(yīng)力為1.2 MPa(依托工程抗裂應(yīng)力限值)作為界限,可得出合理加固時(shí)機(jī)為結(jié)構(gòu)最大撓度為77 mm。

綜上,以結(jié)構(gòu)最大撓度為體外束加固參考目標(biāo),借助長(zhǎng)安大學(xué)研發(fā)的針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力鋼束有效預(yù)應(yīng)力值實(shí)時(shí)獲取專項(xiàng)設(shè)備——預(yù)應(yīng)力索張力測(cè)試儀,從偏安全的角度可得出依托工程體外束合理加固時(shí)機(jī)為:結(jié)構(gòu)最大撓度為77 mm,且體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失小于10%。

4 結(jié)論

1) 體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失為依托工程開裂、下?lián)现饕刂茀?shù),當(dāng)其損失在10%以內(nèi),結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力、撓度增量變化較大,加固后最大主拉應(yīng)力、撓度變化趨于平緩。

2) 結(jié)構(gòu)撓度在工程實(shí)踐中易于獲取,而主拉應(yīng)力數(shù)值在量測(cè)過(guò)程中的誤差較大,同時(shí)考慮撓度對(duì)于結(jié)構(gòu)各項(xiàng)損傷均具有代表性。因此,連續(xù)剛構(gòu)體外束合理加固預(yù)期目標(biāo)定義為結(jié)構(gòu)撓度。

3) 基于應(yīng)力-撓度耦合分析,以最大主拉應(yīng)力1.2 MPa作為控制指標(biāo),依托工程體外束合理加固時(shí)機(jī)為跨中撓度77 mm,且體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失小于10%。