佛開(kāi)高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)工字梁橋加固后狀態(tài)評(píng)估

陳 云，劉伯奇

(1.廣東省佛開(kāi)高速公路有限公司，廣東 佛山 528000;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概述

佛開(kāi)高速公路某特大橋引橋上部結(jié)構(gòu)采用7×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)工字梁(單幅橫向布置4片)，梁高110 cm。下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土樁柱式橋墩、肋板式橋臺(tái)，支座采用板式橡膠支座。橋面采用水泥混凝土鋪裝。設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)—超20級(jí)、掛車(chē)—120。該橋于1994年3月8日開(kāi)工，1996年8月建成通車(chē)。支點(diǎn)橫斷面如圖1所示。

在2007年橋梁定期檢查中，發(fā)現(xiàn)工字梁梁端處裂縫出現(xiàn)了很大程度的發(fā)展。裂縫形式主要有以下3種:①梁端腹板頂部的斜向裂縫;②梁端腹板的豎向裂縫;③貫通梁端腹板以及底板的U型裂縫，裂縫基本沿著梁端濕接頭與預(yù)制梁接縫的位置。典型的裂縫病害形式如圖2所示。

圖1 20 m跨連續(xù)工字梁支座處橫斷面(單位:cm)

根據(jù)歷年的檢查檢測(cè)情況，對(duì)20 m連續(xù)工字梁墩頂濕接縫及端橫隔板采用增大截面的方法進(jìn)行了加固，并增設(shè)了橫向預(yù)應(yīng)力，具體加固構(gòu)造如圖3、圖4所示。

圖2 工字梁加固前病害情況典型照片

圖3 墩頂濕接縫加固立面構(gòu)造(單位:cm)

圖4 墩頂濕接縫加固平面構(gòu)造(單位:cm)

2 評(píng)價(jià)思路及內(nèi)容

2.1 評(píng)價(jià)

1)加固效果有效性評(píng)價(jià)

本次評(píng)價(jià)主要通過(guò)荷載試驗(yàn)及計(jì)算分析的方式，對(duì)橋梁加固后是否滿足設(shè)計(jì)荷載使用要求，及橋梁加固后承載力的提高進(jìn)行量化分析。

①基于計(jì)算分析的有效性評(píng)價(jià)

根據(jù)加固設(shè)計(jì)圖紙，采用計(jì)算分析的方法，給出加固前后橋梁承載力的提高率。

②基于荷載試驗(yàn)的有效性評(píng)價(jià)

荷載試驗(yàn)的方法與結(jié)構(gòu)計(jì)算方法不同，它比較直接地反映了橋梁加固后，設(shè)計(jì)活載作用下橋梁真實(shí)的響應(yīng)，是對(duì)使用階段橋梁受力、變形改善情況的直觀檢驗(yàn)。本次通過(guò)荷載試驗(yàn)給出加固前后設(shè)計(jì)活載下混凝土(或鋼筋)應(yīng)力的改善情況，對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2)加固效果耐久性評(píng)價(jià)

采用取芯方法檢測(cè)新增混凝土與原混凝土的黏結(jié)及協(xié)同受力情況。要求黏結(jié)較好，不出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。

2.2 主要工作內(nèi)容

1)外觀檢查。增大截面加固方式主要檢查新增混凝土表觀狀況以及采用取芯方法檢測(cè)新增混凝土與原混凝土的黏結(jié)及協(xié)同受力情況。

2)計(jì)算分析。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)橋跨的計(jì)算分析，驗(yàn)算加固后結(jié)構(gòu)是否能滿足規(guī)范要求、加固措施對(duì)結(jié)構(gòu)受力的改善情況。

3)荷載試驗(yàn)。本次試驗(yàn)橋跨選擇該橋第44～50跨(7×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)工字梁)進(jìn)行。通過(guò)荷載試驗(yàn)，分析加固之后試驗(yàn)橋聯(lián)受力是否能滿足規(guī)范要求。

3 橋梁加固后狀態(tài)評(píng)估

3.1 歷年檢測(cè)情況

通過(guò)2008年至2012年對(duì)梁端加大截面區(qū)域檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，工字梁梁端新增混凝土倒角處有短細(xì)裂縫，寬度約為0.1 mm左右;從裂縫形態(tài)上來(lái)看，屬于混凝土收縮裂縫，與梁端原有裂縫無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)抽芯檢測(cè)

檢查結(jié)果顯示，梁體兩側(cè)腹板加大截面處新舊混凝土交接面質(zhì)量較差，普遍存在開(kāi)裂現(xiàn)象;取芯檢測(cè)也表明，新舊混凝土間黏結(jié)質(zhì)量普遍較差，在抽取的20個(gè)芯樣中僅有一個(gè)芯樣新舊混凝土間連接狀況較好。根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙，新增混凝土與舊混凝土間未明確要求進(jìn)行鑿毛處理，僅涂刷界面劑，在加固完成至今原有界面劑老化從而影響了新老混凝土間的黏結(jié)，對(duì)加固效果也有較大的影響。

3.3 計(jì)算分析

本次計(jì)算分析工作選取靜載試驗(yàn)所選取橋跨的工字梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，計(jì)算時(shí)針對(duì)該橋的主要加固措施計(jì)算以下內(nèi)容:

1)七孔一聯(lián)連續(xù)梁模型(原設(shè)計(jì)狀態(tài))，驗(yàn)算在原設(shè)計(jì)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力是否滿足規(guī)范要求，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)病害原因進(jìn)行分析。

2)針對(duì)梁端增大截面的加固方式進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)算，驗(yàn)算經(jīng)加固后結(jié)構(gòu)梁端抗剪承載力是否滿足要求。

結(jié)構(gòu)計(jì)算其它參數(shù)按照《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》(JTJ 023—85)規(guī)定選取。

3.3.1 原設(shè)計(jì)狀態(tài)承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算(表1、表2)

表1 承載能力極限狀態(tài)彎矩檢算 kN·m

表2 承載能力極限狀態(tài)剪力檢算 kN

從承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果可知，原橋梁結(jié)構(gòu)抗彎承載能力基本滿足規(guī)范要求，但次邊跨跨中抗彎承載能力以及梁端抗剪承載能力富余量較小。這也是梁端濕接縫與梁體交界處出現(xiàn)斜向開(kāi)裂的主要原因。

3.3.2 針對(duì)梁端加固方式進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)算

針對(duì)梁端增大截面的加固方式進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)算，偏安全地僅考慮新增截面參與受力進(jìn)行抗剪驗(yàn)算。加固后結(jié)構(gòu)支點(diǎn)處最大剪力Qj=1 012 kN，按照加固設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算最大抗力Vj=1 556 kN。

可見(jiàn)采用增大截面的方法，在不考慮原結(jié)構(gòu)抗剪承載能力情況下，加固后結(jié)構(gòu)抗剪承載能力能夠滿足規(guī)范要求。這說(shuō)明采用增大截面的加固方式對(duì)梁端進(jìn)行加固處理，可以有效地提高梁端截面的抗剪承載力。

3.4 荷載試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)工字梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，本橋靜載試驗(yàn)的測(cè)試截面共4個(gè)，分別為第50跨0.4L處最大正彎矩截面(A)、49#墩墩頂最大負(fù)彎矩截面(B)、第49跨跨中最大正彎矩截面(C)以及第47跨跨中最大正彎矩截面(D)。測(cè)試截面的分布情況見(jiàn)圖5。

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的主要控制截面進(jìn)行靜載測(cè)試，了解測(cè)試截面在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變分布及變形情況，評(píng)定結(jié)構(gòu)加固后的工作狀態(tài)。

圖5 預(yù)應(yīng)力連續(xù)工字梁橋跨測(cè)試截面(單位:m)

主要測(cè)試內(nèi)容如下:

1)測(cè)試各控制截面的應(yīng)變，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)構(gòu)經(jīng)加固后主控截面是否滿足設(shè)計(jì)要求;

2)測(cè)試各控制截面的撓度，根據(jù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)荷載作用下的變位狀況，判斷結(jié)構(gòu)整體剛度狀況;

3)測(cè)試各主控截面相鄰跨跨中的變位，根據(jù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)荷載作用下相鄰跨的變位情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體變形狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以此判斷加大截面方式加固結(jié)構(gòu)整體變形是否正常。

3.4.2 主要測(cè)試結(jié)果

1)結(jié)構(gòu)在卸載后各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變形均小于20%，基本上滿足《評(píng)定規(guī)程》中的要求，說(shuō)明各測(cè)試截面均處于彈性工作狀態(tài)。

2)各抗裂測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與荷載效率呈良好的線性關(guān)系，且試驗(yàn)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變無(wú)畸變、退化現(xiàn)象，說(shuō)明經(jīng)施加體外預(yù)應(yīng)力加固處理之后梁體抗裂性基本滿足要求。

3)通過(guò)對(duì)跨縫測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的裂縫雖然有一定程度的擴(kuò)展，但卸載后均能恢復(fù)。

4)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)撓度變形的平均值均小于理論值，加載孔兩側(cè)橋跨的變形基本上符合連續(xù)梁的受力特點(diǎn)，未出現(xiàn)異常變形，表明加固后結(jié)構(gòu)連續(xù)狀況基本良好，說(shuō)明梁端增大截面的加固措施是有效的。如圖6至圖8所示。

5)各測(cè)試截面的應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)(表3)均滿足規(guī)范要求。

圖6 A截面最大級(jí)工況下1#梁實(shí)測(cè)撓曲線與理論撓曲線對(duì)比

圖7 C截面最大級(jí)工況下1#梁實(shí)測(cè)撓曲線與理論撓曲線對(duì)比

圖8 D截面最大級(jí)工況下1#梁實(shí)測(cè)撓曲線與理論撓曲線對(duì)比

表3 20 m跨工字梁荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)一覽

4 結(jié)語(yǔ)

1)加固方式有效性評(píng)價(jià)

理論計(jì)算分析可知，對(duì)梁端加大截面加固后截面抗剪承載力明顯提高，即使不考慮原有混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪承載力，新增混凝土部分的抗剪承載力也可滿足規(guī)范要求。以往檢測(cè)資料以及本次檢測(cè)結(jié)果顯示，加固之后梁端狀況基本正常，新增混凝土表面存在一些由于混凝土收縮造成的豎向開(kāi)裂，裂縫位置與梁端原有裂縫位置對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯，梁端原有混凝土未出現(xiàn)重新開(kāi)裂現(xiàn)象。同時(shí)從荷載試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)變形曲線滿足連續(xù)梁的變形規(guī)律。這都說(shuō)明經(jīng)過(guò)增大截面加固后梁端抗剪承載力能夠滿足規(guī)范要求，加固后梁端斜裂縫得到較好的抑制。

2)加固方式耐久性評(píng)價(jià)

從現(xiàn)場(chǎng)外觀檢查結(jié)果來(lái)看，梁端原有混凝土未出現(xiàn)重新開(kāi)裂現(xiàn)象，但新增混凝土表面存在較多的豎向收縮裂縫;取芯結(jié)果顯示，新舊混凝土之間黏結(jié)狀況普遍較差，絕大多數(shù)芯樣新舊混凝土之間存在明顯分層現(xiàn)象(這主要與加固施工時(shí)未對(duì)舊混凝土進(jìn)行鑿毛處理以及界面劑老化等因素有關(guān))，對(duì)加固效果的耐久性有較大的影響。

3)對(duì)后期采用該項(xiàng)加固方法的建議

①為了保證新增混凝土能有效地發(fā)揮作用，應(yīng)保證新舊混凝土間黏結(jié)質(zhì)量，建議加固施工時(shí)對(duì)舊混凝土表面進(jìn)行鑿毛處理，嚴(yán)格控制界面劑的質(zhì)量及施工工藝。

②加強(qiáng)加固施工過(guò)程中對(duì)新增混凝土的養(yǎng)護(hù)，盡量減少由于養(yǎng)護(hù)不當(dāng)產(chǎn)生的混凝土收縮裂縫。

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