某連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固后承載能力評(píng)估

張恒， 羅雷

(1.佛山市交通運(yùn)輸事務(wù)中心， 廣東 佛山 528000；2.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站有限公司， 廣東 佛山 528041)

由于施工過(guò)程中預(yù)應(yīng)力管道定位不準(zhǔn)確、未設(shè)計(jì)防崩鋼筋等，某新建預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋張拉底板預(yù)應(yīng)力時(shí)發(fā)生保護(hù)層崩裂，設(shè)計(jì)單位采用體外預(yù)應(yīng)力代替部分原縱向預(yù)應(yīng)力的方法進(jìn)行維修加固處理。本文結(jié)合某連續(xù)剛構(gòu)橋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)材料參數(shù)對(duì)加固后交工狀態(tài)、運(yùn)營(yíng)14年后狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，評(píng)估橋梁整體承載能力，驗(yàn)證加固措施的有效性。

1 工程概況

某特大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為四跨一聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，主橋跨徑組合為(62+2×100+62) m(見圖1)。上部結(jié)構(gòu)主梁為分離式單箱單室箱梁，采用縱向、豎向及橫向三向預(yù)應(yīng)力體系。主橋主墩采用整體式承臺(tái)，墩身采用單薄壁分離式空心墩，過(guò)渡墩采用分離式薄壁空心墩。

圖1 某連續(xù)剛構(gòu)橋橋型布置示意圖(單位：m)

主橋主跨張拉底板預(yù)應(yīng)力鋼絞線M7、M8時(shí)，主跨箱梁10#～13#塊底板混凝土保護(hù)層崩裂。原因如下：1) 底板預(yù)應(yīng)力管道定位不準(zhǔn)確，豎向出現(xiàn)較大偏差，局部產(chǎn)生較大徑向力；2) 施工中沒有按設(shè)計(jì)要求布置防崩鋼筋和連接底板上下緣橫向鋼筋的系筋，底板無(wú)法實(shí)現(xiàn)整體受力。

為保證橋梁的質(zhì)量和安全，防止后續(xù)施工中出現(xiàn)箱梁底板崩裂現(xiàn)象，設(shè)計(jì)單位對(duì)底板采取將中跨底板管道存在較大偏差的M6、M7、M8的體內(nèi)索14φ15.24鋼絞線束替換為體外索19φ15.24鋼絞線束及增設(shè)橫隔板和加勁肋的措施進(jìn)行加強(qiáng)處理。加固箱梁跨中截面預(yù)應(yīng)力束布置見圖2。

圖2 跨中截面預(yù)應(yīng)力束布置示意圖(單位：cm)

2 橋梁承載能力驗(yàn)算

2.1 橋梁模型參數(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)混凝土和鋼絞線的力學(xué)指標(biāo)分別見表1、表2。

表1 混凝土的力學(xué)指標(biāo)

表2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線的力學(xué)指標(biāo)

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算主要考慮永久荷載(結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、加固荷載、收縮徐變、沉降)、可變荷載(汽車荷載、溫度)，荷載組合如下：組合Ⅰ為恒載+汽車荷載；組合Ⅱ?yàn)楹爿d+汽車荷載+溫度+基礎(chǔ)沉降；組合Ⅲ為恒載+掛車荷載。

2.2 計(jì)算模型

采用MIDAS/Civil 2015建立全橋桿系有限元模型(見圖3)進(jìn)行驗(yàn)算，全橋離散為1 567個(gè)單元、1 642個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界條件為：66#邊墩和70#邊墩設(shè)置兩個(gè)縱向水平可動(dòng)支座，約束豎向位移和橫向位移；設(shè)置兩個(gè)多向活動(dòng)支座，約束豎向位移。67#、68#、69#主墩為剛構(gòu)墩，與梁體固結(jié)。

圖3 連續(xù)剛構(gòu)橋主橋整體計(jì)算模型

2.3 交工完好狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

2.3.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

該橋交工完好狀態(tài)時(shí)承載能力極限狀態(tài)荷載組合作用下主梁彎矩、剪力驗(yàn)算結(jié)果見圖4、圖5，正截面抗彎、斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果見圖6、圖7。由圖4～7可知：在承載能力極限狀態(tài)下，全橋最大正彎矩為117 019.9 kN·m，出現(xiàn)在邊跨中間位置；最大負(fù)彎矩為-533 185.1 kN·m，出現(xiàn)在中間墩墩頂處；最小剪力為-28 204.8 kN,出現(xiàn)在小里程側(cè)剛構(gòu)墩墩頂處；最大剪力為28 315.8 kN，出現(xiàn)在大里程側(cè)剛構(gòu)墩墩頂處。

圖4 交工完好狀態(tài)時(shí)承載能力極限狀態(tài)下主橋主梁彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

圖5 交工完好狀態(tài)時(shí)承載能力極限狀態(tài)下主橋主梁剪力包絡(luò)圖(單位：kN)

圖6 交工完好狀態(tài)時(shí)承載能力極限狀態(tài)下正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果

圖7 交工完好狀態(tài)時(shí)承載能力極限狀態(tài)下斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果

交工完好狀態(tài)時(shí)承載能力極限狀態(tài)下關(guān)鍵受力截面承載能力驗(yàn)算結(jié)果見表3。由表3可知：主梁承載力抗彎和抗剪均滿足JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》的要求。

表3 交工完好狀態(tài)時(shí)關(guān)鍵受力截面承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

2.3.2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

(1) 撓度驗(yàn)算。根據(jù)JTJ 023—85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)交工完好狀態(tài)時(shí)正常使用極限狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見圖8。由圖8可知：在使用階段車道荷載作用下全橋產(chǎn)生的最大豎向撓度為18 mm,考慮撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)(對(duì)于C50混凝土，撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)為1.43)的長(zhǎng)期撓度為18×1.43=26 mm<規(guī)范限值100 m/600=167 mm。

圖8 車道載荷作用下主梁下?lián)献冃螆D(單位：mm)

(2) 荷載組合Ⅰ應(yīng)力驗(yàn)算。荷載組合Ⅰ作用下截面上下緣正應(yīng)力及主應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見表4，均滿足規(guī)范要求。

(3) 荷載組合Ⅱ應(yīng)力驗(yàn)算。荷載組合Ⅱ作用下截面上下緣正應(yīng)力及主應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見表5，均滿足規(guī)范要求。

(4) 荷載組合Ⅲ應(yīng)力驗(yàn)算。荷載組合Ⅲ作用下截面上下緣正應(yīng)力及主應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見表6，均滿足規(guī)范要求。

表4 荷載組合Ⅰ作用下應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果 MPa

表5 荷載組合Ⅱ作用下應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果 MPa

表6 荷載組合Ⅲ作用下應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果 MPa

綜上，在承載能力極限狀態(tài)下，橋梁主橋連續(xù)剛構(gòu)正截面抗彎及斜截面抗剪均滿足規(guī)范要求，承載力滿足要求；在正常使用極限狀態(tài)荷載組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ作用下，橋梁主橋連續(xù)剛構(gòu)截面上下緣正應(yīng)力、主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，撓度變形滿足規(guī)范要求。

2.4 當(dāng)前狀況驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》，配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態(tài)根據(jù)橋梁檢測(cè)結(jié)果按下式進(jìn)行計(jì)算評(píng)定：

γ0S≤R(fd,ξcαdc,ξsαds)Z1(1-ξe)

式中：γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S為荷載效應(yīng)函數(shù)；R(·)為抗力效應(yīng)函數(shù)；fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ξc為配筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)；αdc為構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；ξs為鋼筋的截面折減系數(shù)；αds為構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；Z1為承載能力驗(yàn)算系數(shù)；ξe為承載能力惡化系數(shù)。

2.4.1 驗(yàn)算系數(shù)的確定

該橋經(jīng)過(guò)體外預(yù)應(yīng)力加固并運(yùn)營(yíng)14年后，橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果見表7～11。

表7 主橋承載能力驗(yàn)算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度D

表8 主橋承載能力惡化系數(shù)評(píng)定標(biāo)度E

表9 主橋構(gòu)件截面損傷的評(píng)定R

表10 主橋鋼筋截面折減系數(shù)ξc

表11 橋梁活載修正系數(shù)

2.4.2 承載能力驗(yàn)算評(píng)定結(jié)果

根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算，結(jié)果顯示：當(dāng)前技術(shù)狀況下主橋主梁抗彎承載能力和斜截面抗剪承載能力均滿足規(guī)范要求(見表12)。

表12 當(dāng)前技術(shù)狀況下主橋主梁承載能力驗(yàn)算結(jié)果

3 結(jié)論

該連續(xù)剛構(gòu)橋在經(jīng)過(guò)體外預(yù)應(yīng)力加固并運(yùn)營(yíng)14年后，雖然橋梁結(jié)構(gòu)主要材質(zhì)狀況出現(xiàn)一定程度缺損和退化后，但橋梁結(jié)構(gòu)承載能力仍然滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求。承載能力極限狀態(tài)下，主橋正截面抗彎承載能力和斜截面抗剪承載能力均大于作用組合，滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求；正常使用極限狀態(tài)下，主橋正應(yīng)力、主應(yīng)力均小于規(guī)范限值，主跨最大撓度小于規(guī)范限值，滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求。