某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋損傷評估與加固維修探討

楊曉燕

(中鐵大橋局武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司,湖北 武漢 430034)

1 某加固維修橋梁概況及病害描述

(1)某(65+126+65)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋,設(shè)計荷載汽-超 20級,由于超載、預(yù)應(yīng)力損失、收縮徐變等因素的影響,在運營 11年后,箱梁橋面下?lián)蠂?yán)重,中跨下?lián)?7cm。

(2)橋梁的腹板在邊跨和中跨的 L/4～3L/4處均出現(xiàn)大量斜裂縫,在為期 80 d對中跨箱梁內(nèi)22條裂縫的觀測表明,有 12條長度變化量為 0.2～4.0cm,所有裂縫寬度變化量為■ =0.01～0.04mm。

2 損傷狀態(tài)評估

根據(jù)該橋病害普查及荷載試驗的結(jié)果,參照預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的病害特點,分析了幾種主要類型的損傷對結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移產(chǎn)生的影響,并就此作了相應(yīng)的計算分析。

2.1 預(yù)應(yīng)力損失的影響

由于豎向預(yù)應(yīng)力筋較短,很小的錨固變形就會使張拉控制應(yīng)力明顯減小,而施工環(huán)境、工作空間小等因素使得大多數(shù)橋梁中豎向預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重,設(shè)計一般考慮 0.6倍的效應(yīng),結(jié)構(gòu)損傷評估在原設(shè)計 0.6倍效應(yīng)的基礎(chǔ)上分別折減50% 、100%進(jìn)行評估。

箱梁內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束長時間持荷受力,并受到混凝土收縮徐變等的影響,有效預(yù)應(yīng)力會進(jìn)一步損失,普查發(fā)現(xiàn)頂?shù)装逵休^多的橫橋向裂縫,且中跨跨中下?lián)陷^嚴(yán)重,參照一般做法,分別按折減 10%、20%計算其影響。

2.2 徐變效應(yīng)

混凝土收縮徐變是橋梁持續(xù)下?lián)系闹匾?其效應(yīng)與結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)密切相關(guān)。對于一般的公路橋梁,徐變是根據(jù)恒載內(nèi)力狀態(tài)計算,不考慮活載的影響。本橋車流量大,任何時候橋面上都有一定的車輛,因此將該部分活載換算均布荷載用于計算徐變。

結(jié)合本橋的實際病害特征,計算徐變時還考慮了 2003年橋面鋪裝和縱向預(yù)應(yīng)力折減20%的影響。

2.3 剛度折減影響

對于斜裂縫開展區(qū)域(兩側(cè)邊跨 L/4～L/2及中跨 L/4～3L/4范圍),考慮剪切剛度折減 30%、60%;對于頂?shù)装辶芽p區(qū)域(中跨 L/4～3L/4范圍),考慮彎曲剛度折減 10%、20%,計算剛度折減對位移的影響。

2.4 汽車超載

原橋設(shè)計荷載為 6車道汽-超 20,設(shè)計車流量為 6萬輛/日。經(jīng)統(tǒng)計,本橋目前實際通行車輛為 14萬輛/日,且在夜間有大量重車通過,存在嚴(yán)重的超載情況。由于實際流量比設(shè)計流量大 2倍以上,評估時單幅計算車道數(shù)由 2.52提高到 3.15。

2.5 綜合損傷評估

本橋?qū)嶋H的橋梁損傷狀態(tài)是多種單項損傷組合而成,為便于分析,定義兩種損傷組合模型。

(1)低度損傷:豎向預(yù)應(yīng)力折減 50%(在原設(shè)計 0.6倍效應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行折減),縱向預(yù)應(yīng)力折減 10%,剪切剛度折減 30%,彎曲剛度折減 10%,徐變已發(fā)生,汽車超載。

(2)高度損傷:豎向預(yù)應(yīng)力折減 100%,縱向預(yù)應(yīng)力折減20%,剪切剛度折減 60%,彎曲剛度折減 20%,徐變已發(fā)生,汽車超載。

2.6 計算分析結(jié)論

通過對單項損傷和組合損傷進(jìn)行計算分析發(fā)現(xiàn),對梁體應(yīng)力影響較大的因素包括預(yù)應(yīng)力損失、收縮徐變、汽車超載三個方面。其中豎向預(yù)應(yīng)力損失對主梁的上、下緣應(yīng)力影響較小,縱向預(yù)應(yīng)力的影響較大?？v向預(yù)應(yīng)力折減 20%,對主梁上緣的應(yīng)力影響最大為 2.8MPa,對下緣的應(yīng)力影響最大為 4MPa;收縮徐變(包括二恒改鋪)的效應(yīng)使得主梁應(yīng)力變化最大為 3.4MPa;汽車超載使得主梁上緣應(yīng)力最大增加0.6MPa。

對中跨下?lián)嫌绊戄^大的因素包括縱向預(yù)應(yīng)力損失和收縮徐變,其中縱向預(yù)應(yīng)力損失 10%使得中跨跨中下?lián)霞s 55mm;收縮徐變(包含二恒改鋪)使中跨跨中下?lián)霞s 50mm。箱梁內(nèi)部裂縫檢查表明底板橫向裂縫主要集中在中跨的L/4～3L/4范圍內(nèi),兩側(cè) 65m邊跨底板基本沒有裂縫,因此只考慮在中跨 L/4～3L/4范圍內(nèi)進(jìn)行彎曲剛度折減,彎曲剛度折減 20%導(dǎo)致主跨跨中下?lián)辖咏?9mm。剪切剛度的折減只在斜裂縫區(qū)域(兩側(cè)邊跨 L/4～L/2及中跨 L/4～3L/4范圍),剪切剛度折減 60%使得中跨跨中下?lián)霞s 8mm。

在該橋結(jié)構(gòu)無損傷時,汽車超載產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于規(guī)范限值。橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低度損傷后,拉應(yīng)力小于規(guī)范限值;產(chǎn)生高度損傷后,該橋在荷載組合(考慮超載)作用下正拉應(yīng)力、主拉應(yīng)力都超過了規(guī)范規(guī)定的材料限值。結(jié)構(gòu)計算的主拉應(yīng)力數(shù)值較大的區(qū)域與現(xiàn)場普查的裂縫分布區(qū)域基本對應(yīng)。由于裂縫的出現(xiàn)導(dǎo)致材料進(jìn)入塑性階段,在多次加載反復(fù)作用下變形不斷積累,這是導(dǎo)致該橋中跨跨中撓度不斷增加的一個原因。本橋的實際損傷狀況更接近于假定的低度損傷。

3 加固方案

通過以上對橋梁損傷類型及程度的分析及橋梁病害的表現(xiàn),設(shè)計的加固方案如下:

(1)邊跨、中跨腹板裂縫處粘貼碳纖維布、貼鋼板。

(2)126m中跨部分采用勁性骨架增強截面剛度改善繼續(xù)下?lián)系默F(xiàn)狀。

(3)邊跨每箱室內(nèi)布置 4束、中跨每箱室內(nèi)布置 8束12～ 15.24mm環(huán)氧涂層填充型鋼絞線,跨中底板粘貼 3層碳纖維布進(jìn)行補強。

4 加固效果分析

(1)體外束是本橋加固的主要手段,其主要目的是通過預(yù)應(yīng)力改變恒載內(nèi)力狀態(tài),并減少一部分跨中下?lián)稀?/p>

(2)鋼桁架的主要作用是增加結(jié)構(gòu)的剛度和承載力,承擔(dān)一部分活載作用,減小活載產(chǎn)生的位移和應(yīng)力。

(3)碳纖維貼在裂縫分布區(qū),提高混凝土板的抗裂性能和耐久性。

4.1 加固后結(jié)構(gòu)的安全性分析

對該橋加固后進(jìn)行全橋空間結(jié)構(gòu)有限元分析計算,計算內(nèi)容如下:

(1)體外預(yù)應(yīng)力鋼束對梁體效應(yīng);

(2)體外預(yù)應(yīng)力鋼束和縱向桁架共同作用對梁體加固效應(yīng);

(3)體外預(yù)應(yīng)力鋼束和活載共同作用下梁體效應(yīng);

(4)施加了體外預(yù)應(yīng)力、安裝縱向桁架后的加固梁體在活載作用下的效應(yīng);

(5)體外預(yù)應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)向架內(nèi)力及基座的承載力驗算;

(6)腹板內(nèi)側(cè)加固鋼桁架對斜截面抗剪強度的影響。

結(jié)構(gòu)安全性分析分別計算了梁體在張拉體外預(yù)應(yīng)力束、安裝縱向桁架、施加活載各階段結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應(yīng)力水平和位移狀況。縱向桁架和轉(zhuǎn)向架各桿件的受力、基座植筋滿足規(guī)范要求。

體外預(yù)應(yīng)力在一定程度上改善了頂板及跨中底板的應(yīng)力狀況,并可在較小程度上調(diào)整主梁線形;鋼桁架對抗彎承載力的加固效果不佳,對結(jié)構(gòu)整體受力和變形改善不明顯。但考慮到縱橋向勁性鋼桁架主要作用是補充腹板抗剪剛度,增強腹板抗剪能力,保證結(jié)構(gòu)橫截面受力更合理,雖然對結(jié)構(gòu)抗彎剛度提高不大,但它是保證結(jié)構(gòu)整體性能,抑止下?lián)系炔『^續(xù)發(fā)展的重要措施。

4.2 加固后線形

該橋維修后進(jìn)行了為期2年的橋面變形監(jiān)測,監(jiān)測時間分為白天和夜間,大氣溫度經(jīng)歷了最高溫度(7月)和最低溫度(1月),監(jiān)測結(jié)果表明隨著橋體溫度上升,中跨跨中撓度呈減小趨勢;隨著橋體溫度下降,中跨跨中撓度呈增大趨勢,變化量分別為 15mm和 19mm,2年內(nèi)跨中平均下?lián)?8.01mm。撓度增大趨勢仍然存在,但下?lián)纤俾蕼p小了一半,裂縫未發(fā)現(xiàn)有進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié) 論

(1)通過本文對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的損傷評估分析可以看出,造成本橋病害的主要因素是預(yù)應(yīng)力損失、收縮徐變、汽車超載等。

(2)本橋的損傷評估采用了豎向預(yù)應(yīng)力折減 50%(在原設(shè)計 0.6倍效應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行折減)、縱向預(yù)應(yīng)力折減 10%、剪切剛度折減 30%、彎曲剛度折減 10%、徐變已發(fā)生、汽車超載的低度損傷模型,與實際損傷吻合。

(3)本橋采用的體外束、鋼桁架、貼鋼板和碳纖維的加固方法達(dá)到了預(yù)期的效果。

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