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

彭世恩,林桂萍,劉元剛

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司,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)計的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋經(jīng)過十多年運營后，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；有些則是后期運營和養(yǎng)護過程中引起，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算，查找原橋裂縫產(chǎn)生原因。建立的計算模型如圖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)的計算，腹板內(nèi)部斜裂縫主要原因通過計算分析，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算值低，也導(dǎo)致主跨跨中下?lián)稀?/p>

3 加固設(shè)計

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

(1)維持設(shè)計荷載標(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，操作方便；經(jīng)濟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)力進行改善，避免箱梁腹板繼續(xù)開裂，增強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)分析確定采用的實施方案見圖6。

圖6 鋼束布置(單位：cm)

鋼束采用了多支點的轉(zhuǎn)束布置方式具有以下優(yōu)點：

(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)在錨固點和轉(zhuǎn)換點位置減少了對頂板及底板的受力影響，防止后期施工和運營過程中對結(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)件進行比較，最終采用了鋼構(gòu)件作為實施方案，轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)向塊設(shè)計構(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行補強，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其抗裂性，碳纖維板采用寬度50 mm，厚度為2 mm高強碳纖維板，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)?，達(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營狀態(tài)，應(yīng)對該橋長期監(jiān)測。搜集該橋運營狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，為大橋運營管理和后期維護做好基礎(chǔ)工作。為進行后期檢測，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，即在溫度最高點和最低點測量，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，了解橋梁營運過程中長期的變化情況。長期運營監(jiān)測的主要內(nèi)容：

(1)主橋運營期間撓度(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)力索力隨后期運營變化數(shù)據(jù))。

(3)運營過程中環(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，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

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)計的預(yù)期。

6 結(jié)束語

通過對該橋的病害處治和運營階段監(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，抑制了腹板的進一步開裂和跨中的進一步下?lián)?，提高了整個橋梁的承載能力。通過本項目的維修加固方式對后期此類橋梁的設(shè)計和施工有一定參考價值。