預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁加寬改造后安全評(píng)估

陳韻，劉伯奇

(1.廣東省佛開高速公路有限公司，廣東廣州528231;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁加寬改造后安全評(píng)估

陳韻1，劉伯奇2

(1.廣東省佛開高速公路有限公司，廣東廣州528231;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

隨著部分高速公路進(jìn)行加寬改造工作，位于加寬改造區(qū)段的已建橋梁的荷載等級(jí)相應(yīng)提高，同時(shí)由于經(jīng)過多年運(yùn)營，部分橋梁已出現(xiàn)嚴(yán)重病害，因此須對此類橋梁重新進(jìn)行安全評(píng)估。本文以廣佛高速公路上一座加寬改造后的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為例，采用橋梁博士軟件，按新舊規(guī)范分別對橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力檢算;通過靜載試驗(yàn)及針對結(jié)構(gòu)病害的專項(xiàng)測試，對橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和承載能力進(jìn)行綜合評(píng)估;最后根據(jù)計(jì)算及實(shí)測結(jié)果對該橋提出相應(yīng)的管養(yǎng)建議。此方法可為同類橋梁的安全評(píng)估提供借鑒。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁 安全評(píng)估 加寬改造

1 工程概況

廣佛高速公路全程為全封閉互通立交，原設(shè)計(jì)為雙向四車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽—超20，掛—120，于1996年12月投入通車。隨著交通量的不斷增加，于2009年起對K0～K46段進(jìn)行了加寬改造，加寬為雙向八車道，加寬改造后橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。

謝邊立交跨線橋位于該加寬區(qū)段，該橋主橋?yàn)?50+100+160+160+100+50)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用懸拼施工，箱梁節(jié)段之間拼接縫采用環(huán)氧水泥進(jìn)行粘結(jié)，部分節(jié)段為現(xiàn)澆的濕接縫。該橋采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向及橫向預(yù)應(yīng)力束采用高強(qiáng)度鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力束采用直徑32 mm的精軋螺紋鋼筋。橋型及跨徑布置如圖1所示。該橋采用的加寬改造方式為利用既有四車道橋梁改為單向通行，在橋址附近新建四車道橋梁作為另一方向通行。該橋在加寬改造之前的主要結(jié)構(gòu)性病害是在20#，21#，25#，26#墩頂附近梁體腹板處存在斜向開裂，裂縫大致呈45°方向，裂縫寬度介于0.08～0.20 mm之間。

圖1 橋型及跨徑布置示意(單位:m)

2 結(jié)構(gòu)承載能力檢算

根據(jù)相關(guān)的新舊規(guī)范［1-4］，分別對既有橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力檢算。采用橋梁博士軟件，將全橋共分為224個(gè)單元，225個(gè)結(jié)點(diǎn)，模擬施工過程建立了27個(gè)施工步驟。

1)按85規(guī)范檢算，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

2)按2004規(guī)范檢算結(jié)果如下:

①抗彎承載能力極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求;抗剪承載能力極限狀態(tài)檢算顯示墩頂附近和L/4附近截面不能滿足規(guī)范要求。

②在短期效應(yīng)組合下，除20#墩頂及26#墩頂梁體上緣拉應(yīng)力較大(分別為3.58 MP和3.12 MPa)，不滿足2004規(guī)范要求外，其它部位梁體混凝土法向拉應(yīng)力均滿足2004規(guī)范要求;在短期效應(yīng)組合下，除20#，21#，25#和26#墩頂附近梁體出現(xiàn)主拉應(yīng)力偏大外(3.16 MPa)，其它部位均滿足2004規(guī)范。

③在標(biāo)準(zhǔn)組合下，梁體最大主壓應(yīng)力為22.89 MPa，不滿足2004規(guī)范要求。

④長期效應(yīng)組合下，梁體各截面邊緣混凝土法向拉應(yīng)力滿足2004規(guī)范要求;標(biāo)準(zhǔn)組合下，梁體上緣最大壓應(yīng)力為20.49 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為15.71 MPa，均不滿足2004規(guī)范要求。

檢算結(jié)果顯示，2004規(guī)范下墩頂位置及L/4附近截面抗剪承載力不滿足要求，邊墩、次邊墩墩頂附近截面主拉應(yīng)力不滿足規(guī)范要求，這與該橋墩頂附近腹板斜裂縫位置有對應(yīng)關(guān)系。

3 橋梁靜載試驗(yàn)

根據(jù)連續(xù)梁橋受力特點(diǎn)，選擇結(jié)構(gòu)主要控制截面進(jìn)行靜載試驗(yàn)，同時(shí)針對結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行專項(xiàng)測試，了解測試截面在試驗(yàn)荷載下的應(yīng)變分布及變形，評(píng)定結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和承載能力。對于該橋承載能力主要測試截面有:次邊跨最大正彎矩截面(A截面)、墩頂最大負(fù)彎矩截面(B截面)、中跨最大正彎矩截面(C，D截面，其中D截面作為C截面的對比截面只測試撓度);針對病害專項(xiàng)測試主要為斜裂縫專項(xiàng)測試(E，F(xiàn)截面)。測試截面分布如圖2所示。

圖2 測試截面分布(單位:m)

該橋原設(shè)計(jì)荷載為汽—超20、掛—120，改擴(kuò)建橋設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)，因此，本次荷載試驗(yàn)將對兩種荷載等級(jí)同時(shí)計(jì)算，以設(shè)計(jì)荷載較大者為試驗(yàn)控制值，試驗(yàn)過程中加載分級(jí)將加密以確保試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)的安全。各測試截面最大級(jí)試驗(yàn)荷載加載效率見表1。

表1 各測試截面加載效率一覽表

3.1 承載能力測試結(jié)果

3.1.1 撓度測試結(jié)果

撓度測試分別針對A，C，D截面進(jìn)行，從實(shí)測數(shù)據(jù)來看，各測點(diǎn)的卸載殘余撓度較小，相對殘余均滿足《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》［5］的要求(＜20%)，說明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下整體處于彈性工作狀態(tài)。表2中給出了最大級(jí)荷載作用下A，C，D截面撓度測試結(jié)果。

由表2中數(shù)據(jù)可知，A，C，D截面實(shí)測結(jié)果均滿足《評(píng)定規(guī)程》中校驗(yàn)系數(shù)ζ≤1，撓跨比＜1/600的要求，即結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。此外，C，D截面實(shí)測撓度值較為接近，說明結(jié)構(gòu)的對稱性較好。

表2 最大級(jí)荷載作用下A，C，D截面撓度測試結(jié)果

3.1.2 應(yīng)力測試結(jié)果

從各測試截面實(shí)測應(yīng)變可知，各測點(diǎn)的卸載殘余應(yīng)變均較小，除絕對值較小點(diǎn)外，其余各測點(diǎn)相對殘余均滿足試驗(yàn)規(guī)范的要求(＜20%)，說明截面變形處于彈性狀態(tài)。表3中給出了最大級(jí)荷載作用下A，B，C截面應(yīng)變測試結(jié)果，圖3、圖4為A，C截面實(shí)測應(yīng)變沿截面高度分布。

表3 最大級(jí)荷載作用下A，B，C截面應(yīng)變測試結(jié)果

圖3 A截面實(shí)測應(yīng)變沿截面高度分布

從表3及圖3、圖4可知:

①A～C截面，內(nèi)外側(cè)腹板實(shí)測應(yīng)變沿截面高度呈較好的線性分布關(guān)系，說明截面變形基本符合平截面假定;兩側(cè)腹板中性軸的實(shí)測平均高度均高于理論值，說明橋面鋪裝和防撞墻等參與了結(jié)構(gòu)受力。

②最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)滿足《評(píng)定規(guī)程》中校驗(yàn)系數(shù)ζ≤1的要求。

③各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，截面受拉緣測點(diǎn)應(yīng)變分布均勻，沒有畸變和退化現(xiàn)象，說明結(jié)構(gòu)抗裂性滿足要求。

綜上所述，A～C截面在試驗(yàn)荷載作用下，受力狀態(tài)正常。

3.2 斜裂縫專項(xiàng)測試結(jié)果

E，F(xiàn)截面為斜裂縫截面，截面測點(diǎn)跨斜裂縫布置，測點(diǎn)布置如圖5所示。

由斜裂縫的實(shí)測應(yīng)變可知，各測點(diǎn)的卸載殘余應(yīng)變較小，相對殘余均滿足試驗(yàn)規(guī)范要求(＜20%)，這說明卸載后裂縫寬度基本能夠恢復(fù)到原狀態(tài);實(shí)測結(jié)果表明，在試驗(yàn)荷載作用下，E截面斜向裂縫的最大擴(kuò)展為100×10－6×150 mm=0.015 mm(E6測點(diǎn));F截面兩條斜向裂縫的最大擴(kuò)展分別為99×10－6×150 mm= 0.015 mm(F6測點(diǎn))、106×10－6×150 mm=0.016 mm (F1測點(diǎn))，裂縫擴(kuò)展量不大，但呈現(xiàn)出裂縫尖端的實(shí)測應(yīng)變數(shù)值相對較大的規(guī)律，這說明在荷載作用下裂縫處于活躍狀態(tài)，裂縫存在進(jìn)一步發(fā)展的趨勢。

圖4 C截面實(shí)測應(yīng)變沿截面高度分布

圖5 斜裂縫專項(xiàng)測試測點(diǎn)布置

4 結(jié)論

1)結(jié)構(gòu)承載能力檢算結(jié)果顯示，2004規(guī)范下墩頂位置及L/4附近截面抗剪承載力不能滿足要求，邊墩、次邊墩墩頂附近截面主拉應(yīng)力不能滿足規(guī)范要求，這與該橋斜裂縫位置有一定對應(yīng)關(guān)系。

2)荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋梁體受力基本能夠滿足公路Ⅰ級(jí)荷載的正常使用要求。

3)荷載試驗(yàn)對斜裂縫測試結(jié)果顯示，跨裂縫測點(diǎn)應(yīng)變值不大，且從近幾年的檢測報(bào)告分析，裂縫狀態(tài)穩(wěn)定，未繼續(xù)發(fā)展，說明結(jié)構(gòu)在目前的運(yùn)營荷載下狀態(tài)基本穩(wěn)定。但值得注意的是，運(yùn)營荷載的增大及超載車的作用可能會(huì)引起斜裂縫的發(fā)展，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失和梁體下?lián)系炔『Τ霈F(xiàn)，故建議對該類裂縫予以密切關(guān)注，若發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)展應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加固處理。

4)本次未對下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，考慮到該橋墩柱高度較大，建議對水中樁基加強(qiáng)定期檢測工作。

［1］中華人民共和國交通部.JTJ 021—89公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1989.

［2］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］中華人民共和國交通部.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［S］.北京:人民交通出版社，1989.

［4］中華人民共和國交通部.JTG D62—2004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［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］中華人民共和國交通部.JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

(責(zé)任審編周彥彥)

U448.21+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.07

1003-1995(2015)06-0024-03

2014-12-15;

2015-02-03

陳韻(1971—)，女，廣東化州人，技術(shù)員。