連續(xù)箱梁預(yù)應(yīng)力缺陷評估及加固技術(shù)研究

袁建新　孫連峰

(中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司　武漢　430034)

連續(xù)箱梁預(yù)應(yīng)力缺陷評估及加固技術(shù)研究

袁建新孫連峰

(中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司武漢430034)

摘要某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?qū)儆诔鞘锌焖俑呒軜?，在預(yù)應(yīng)力張拉灌漿完成后，發(fā)現(xiàn)箱梁部分預(yù)應(yīng)力鋼束存在夾片外露長度偏大及夾片滑絲的現(xiàn)象，為進(jìn)一步了解橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進(jìn)行了以預(yù)應(yīng)力鋼束檢測為重點(diǎn)的全面檢測和靜載試驗(yàn)。通過現(xiàn)場外觀檢查，以及應(yīng)力釋放法推算結(jié)構(gòu)現(xiàn)存應(yīng)力狀態(tài)，并結(jié)合靜載試驗(yàn)和有限元結(jié)果，認(rèn)為應(yīng)力儲備不足，提出了采用體外預(yù)應(yīng)力提高結(jié)構(gòu)應(yīng)力儲備的加固方案。

關(guān)鍵詞連續(xù)箱梁預(yù)應(yīng)力缺陷檢測應(yīng)力釋放法有限元分析體外預(yù)應(yīng)力

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的城市高架快速路應(yīng)運(yùn)而生，這些城市高架橋中預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁是主要橋型之一[1]。

預(yù)應(yīng)力鋼束是預(yù)應(yīng)力橋梁的根本，但因施工等各種因素的影響，往往在施工過程或成橋后出現(xiàn)不同程度的缺陷，由于其本身特性及其隱蔽性，缺陷檢查尤其是有效預(yù)應(yīng)力的檢查仍然具有相當(dāng)大的困難。因此充分利用現(xiàn)有技術(shù)手段對預(yù)應(yīng)力橋梁進(jìn)行病害及承載能力評估，并采取合理的措施進(jìn)行加固維修是一個值得研究的課題。

1工程背景

某城市快速高架橋,其中一聯(lián)箱梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,跨徑布置為4×30 m,主梁頂板寬25.8 m,采用整體現(xiàn)澆、后張法施工。設(shè)計車速80 km/h；設(shè)計車道：雙向6車道。

上部結(jié)構(gòu)采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土斜腹板連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，C50混凝土，梁高為2.0 m。箱梁橫截面采用單箱三室，頂板寬25.8 m，厚0.25 m，頂板兩側(cè)的翼緣懸臂長4.0 m，底板寬17.0 m，厚0.22 m，腹板厚0.6 m，端橫梁厚1.5 m，中橫梁厚2.0～2.4 m。箱梁截面形式示意圖見圖1。

圖1　箱梁截面示意圖(單位：mm)

混凝土箱梁內(nèi)設(shè)縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力，鋼鉸線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，錨下張拉控制應(yīng)力σcon=1 395 MPa?？v向預(yù)應(yīng)力筋腹板F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3通長束共12束，每束19根；頂板第二、三跨T2共12束，每束12根；頂板第一、四跨T1束各12束，每束12根；底板B1通長束共6束，每束12根；底板第二跨、第三跨B3共12束，每束9根；底板第一、四跨B2共12束，每束9根。

該橋在預(yù)應(yīng)力張拉灌漿完成后，在巡查過程中發(fā)現(xiàn)部分錨具夾片外露高度過大，個別錨頭有單根鋼絞線內(nèi)縮。為摸清橋梁的預(yù)應(yīng)力狀況及對承載能力的影響，對該橋進(jìn)行了以預(yù)應(yīng)力鋼束檢測為重點(diǎn)的全面檢測和靜載試驗(yàn)，作為后期問題處理的依據(jù)。

2預(yù)應(yīng)力缺陷評估

預(yù)應(yīng)力缺陷評估一般定性較為容易，但定量分析預(yù)應(yīng)力度較為困難，本文從以下4個方面進(jìn)行評估：先通過檢查預(yù)應(yīng)力錨頭外觀、夾片外露長度、齒塊混凝土狀況、預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量來定性分析，再通過測量底板現(xiàn)存應(yīng)力，以及有限元計算分析和橋梁靜載試驗(yàn)來定量分析、評估。

(1) 缺陷定性檢測及分析。用游標(biāo)卡尺測量夾片外露長度，檢查預(yù)應(yīng)力錨頭外觀及齒塊混凝土狀況。隨機(jī)選取2束底板預(yù)應(yīng)力束和1束腹板預(yù)應(yīng)力束，打開預(yù)應(yīng)力孔道，檢查孔道壓漿及預(yù)應(yīng)力鋼束情況。檢查結(jié)果如下。

① 共檢查夾片為1 881個，最大外露高度為10 mm，根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF/ F50-2011)中7.8.5條中規(guī)定夾片露出錨具外的高度不應(yīng)大于4 mm，合格夾片數(shù)量為1 510個，不合格夾片數(shù)量為371個，合格率為80.3%。

② 3處錨頭存在單根鋼絞線內(nèi)縮現(xiàn)象，其中1根鋼絞線夾片滑絲，鋼絞線內(nèi)縮達(dá)84 cm。

③ 2處錨墊板下混凝土有修補(bǔ)痕跡，1處錨具表面傾斜，在張拉過程中存在錨墊板下混凝土被壓壞的現(xiàn)象。

④ 鑿開預(yù)應(yīng)力管道，發(fā)現(xiàn)波紋管及預(yù)應(yīng)力鋼束狀況良好，未見銹蝕，但孔道內(nèi)壓漿均不飽滿，個別位置壓漿料極少。

根據(jù)以上檢測結(jié)果，可以初步判斷橋梁預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量較差，預(yù)應(yīng)力存在較大損失，且孔道壓漿不飽滿將影響到結(jié)構(gòu)的耐久性。

(2) 預(yù)應(yīng)力定量檢測及分析。為進(jìn)一步了解預(yù)應(yīng)力損失情況，需對預(yù)應(yīng)力張拉完成后的實(shí)際錨固力做進(jìn)一步檢測。對于已經(jīng)灌漿的預(yù)應(yīng)力鋼束，就現(xiàn)有的檢測技術(shù)而言測量鋼絞線張拉力有較大困難，且無法反映混凝土實(shí)際受力狀況。因此，考慮采用應(yīng)力釋放法測量箱梁跨中底板現(xiàn)存應(yīng)力，了解橋梁內(nèi)部的現(xiàn)存應(yīng)力狀況，間接推算預(yù)應(yīng)力損失情況。

考慮到常用的單向應(yīng)變片應(yīng)力釋放法，因溫度等因素的影響，測試結(jié)果離散性較大，現(xiàn)場采用2組2軸90°應(yīng)變花，應(yīng)變花中的橫向應(yīng)變片作為補(bǔ)償使用，4個應(yīng)變片接成全橋電路進(jìn)行測試，測試結(jié)果較為穩(wěn)定。

應(yīng)力釋放法基本步驟如下：①現(xiàn)場確定邊跨和中跨跨中底板試驗(yàn)位置，應(yīng)變片采用標(biāo)距的應(yīng)變片。將混凝土表面磨平，涂上防水基底層；②粘貼6 cm膠基縱向應(yīng)變片和橫向應(yīng)變片各2片，將橫向布置的應(yīng)變片作為溫度補(bǔ)償片，連接為全橋電路；③量測此時應(yīng)變計的初始值；④以應(yīng)變計為中心，用直徑100 cm鉆心機(jī)取貼有應(yīng)變片的混凝土, 鉆孔深度為10 cm，使取出的混凝土塊中的應(yīng)力得以釋放；⑤測出此時應(yīng)變；⑥將測試值與初始值的差值除以2，再除以(1+υ，式中：υ為泊松比)便可獲得此處現(xiàn)存的應(yīng)變，乘以混凝土彈性模量，即得此處現(xiàn)存應(yīng)力。

現(xiàn)場實(shí)測邊跨、中跨跨中底板上表面現(xiàn)存壓應(yīng)力分別為-3.16，-3.41 MPa。而此階段(預(yù)應(yīng)力張拉完成，二期恒載未上)邊跨、中跨跨中底板上表面的理論計算應(yīng)力值分別為-4.89,-5.11 MPa，因此推算混凝土底板應(yīng)力損失值分別為-1.73，-1.70 MPa。

(3) 靜載試驗(yàn)。為了更好地掌握橋梁結(jié)構(gòu)的整體工作狀態(tài)，綜合判定橋梁目前的預(yù)應(yīng)力工作狀況和承載能力，對橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)[2]。由于該橋橋面系未施工，靜載試驗(yàn)采用重物堆載，加載效率控制在1.00～1.05之間，最不利效應(yīng)值為二期恒載和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的效應(yīng)包絡(luò)圖，靜載試驗(yàn)分10個加載工況，包括各跨跨中正彎矩和各墩墩頂負(fù)彎矩對稱及偏心加載。

表1、表2為部分試驗(yàn)及計算結(jié)果，應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)；撓度以向上為正，向下為負(fù)。

表1　各主要截面應(yīng)力實(shí)測值與計算值對比

表2　各主要工況撓度實(shí)測值與計算值對比

由靜載試驗(yàn)的測試結(jié)果及相應(yīng)的計算分析，可看出：

① 箱梁各跨實(shí)測應(yīng)力最大值分別為1.63,1.29,1.27,1.77 MPa，校驗(yàn)系數(shù)在0.73～0.78之間，實(shí)測值均小于計算值，表明箱梁強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。箱梁各跨實(shí)測撓度最大值分別為-3.66,-2.73,-2.71,-4.04 mm、校驗(yàn)系數(shù)在0.74～0.82之間，均小于1，表明橋梁抗彎剛度滿足設(shè)計要求。卸載后，殘余應(yīng)變和殘余變形均較小，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

② 支座縱向位移較小，實(shí)測支座縱向位移最大為0.32 mm，實(shí)測值與計算值基本吻合，卸載后，支座基本恢復(fù)初始位置，支座工作狀態(tài)良好。實(shí)測梁端轉(zhuǎn)角較小，梁端轉(zhuǎn)角最大為75 s，實(shí)測值均小于計算值。

③ 試驗(yàn)過程中，夾片、鋼絞線與錨頭的相對變形監(jiān)測結(jié)果表明，加載過程中及加載結(jié)束后鋼束外露長度和夾片外露長度未發(fā)生變化，未出現(xiàn)滑絲現(xiàn)象，錨頭外觀及錨固面混凝土也未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

④ 試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)完成后，各控制截面均未產(chǎn)生新裂縫，已有裂縫長度及寬度在加載前后均未發(fā)生變化。

通過靜載試驗(yàn)結(jié)果可以看出，主體結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)較好，結(jié)構(gòu)整體剛度能滿足設(shè)計要求，橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀況。同時預(yù)應(yīng)力鋼束的錨頭、夾片、鋼絞線在試驗(yàn)荷載下也未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

3有限元計算分析

由于靜載試驗(yàn)時未考慮使用階段的溫度荷載以及結(jié)構(gòu)支點(diǎn)不均勻沉降，為進(jìn)行加固，需對后期二期恒載施工完成后的應(yīng)力以及成橋后收縮徐變進(jìn)行計算，并進(jìn)行成橋運(yùn)營階段組合驗(yàn)算。計算采用Midas Civil 2013建立有限元模型，模型采用梁單元模擬主梁[3]，共劃分單元83個，節(jié)點(diǎn)84個；模型邊界條件為：中間墩為固定支座，其余為活動支座。計算基本參數(shù)如下：主梁采用C50混凝土，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比為0.167，容重取26.5 kN/m3，二期恒載(橋面鋪裝、防撞護(hù)欄、聲屏障、種植土及植物)取105.46 kN/m。該橋?yàn)殡p向6車道，橫向折減系數(shù)0.55，偏載系數(shù)為1.15，計算自振頻率為4.00 Hz，沖擊系數(shù)μ=0.176 7 ln(f)-0.015 7=0.23。支座不均勻沉降取-5 mm，整體升降溫20 ℃，同時根據(jù)規(guī)范計入溫度梯度荷載[4]。

預(yù)應(yīng)力鋼束效應(yīng)折減完全按規(guī)范計算各項(xiàng)損失的情況下，主要截面應(yīng)力計算結(jié)果見表3。由表中數(shù)據(jù)可以看出：運(yùn)營期間邊跨跨中和中跨跨中底板在標(biāo)準(zhǔn)組合狀態(tài)下應(yīng)力最小壓應(yīng)力分別為-1.80 MPa和-1.92 MPa，在短期組合狀態(tài)下應(yīng)力最小壓應(yīng)力分別為-2.51 MPa和-2.82 MPa，運(yùn)營組合狀態(tài)壓應(yīng)力儲備不大。如按檢測結(jié)果考慮2跨中底板損失1.70 MPa的應(yīng)力，則短期和標(biāo)準(zhǔn)組合狀態(tài)下的應(yīng)力接近消壓狀態(tài)，壓應(yīng)力儲備水平更顯不足。

表3　主要截面應(yīng)力計算結(jié)果　MPa

4加固措施

(1) 根據(jù)以上現(xiàn)場檢測結(jié)果判定，橋梁預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量較差，同時壓漿不飽滿將影響到結(jié)構(gòu)耐久性，因此對預(yù)應(yīng)力短束，每束鉆2個孔，對預(yù)應(yīng)力長束，每跨內(nèi)鉆2個孔，檢查預(yù)應(yīng)力管道壓漿的密實(shí)性，如有不密實(shí)的位置，補(bǔ)充壓漿。

(2) 根據(jù)現(xiàn)場檢測、靜載試驗(yàn)以及有限元分析結(jié)果判定，雖橋梁整體結(jié)構(gòu)總體工作狀態(tài)較好，結(jié)構(gòu)總體剛度滿足設(shè)計要求，但結(jié)構(gòu)應(yīng)力存在較大損失，與原設(shè)計理想狀態(tài)相比壓應(yīng)力明顯減小，應(yīng)力儲備不足，如考慮超載等因素則更為不利。因此最終確定處理的原則是提高結(jié)構(gòu)應(yīng)力儲備，盡量將結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)恢復(fù)到設(shè)計狀態(tài)，但考慮到檢測結(jié)果存在一定偏差，同時避免因加固而產(chǎn)生局部壓應(yīng)力過大等次生危害，決定采用施加體外預(yù)應(yīng)力，將跨中底板現(xiàn)存應(yīng)力增加1 MPa左右，提高結(jié)構(gòu)應(yīng)力儲備。

具體主要加固方案為：在箱梁內(nèi)底板對稱布置6束15根Φs15.2 m縱向通長體外預(yù)應(yīng)力束，每箱2束。在箱梁兩邊跨距支座一定距離各澆筑一道混凝土橫隔墻，錨固塊設(shè)計成門檻梁形式，并與腹板相連作為體外預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)，中墩橫隔板在預(yù)應(yīng)力通過處開孔。體外預(yù)應(yīng)力總體布置見圖2。經(jīng)計算：加固后邊跨跨中底板壓應(yīng)力增加了-1.2 MPa，中跨跨中底板壓應(yīng)力增加了-0.7 MPa；邊跨跨中頂板壓應(yīng)力增加了-0.5 MPa，中跨跨中頂板壓應(yīng)力增加了-0.8 MPa。

圖2　體外預(yù)應(yīng)力總體布置示意圖(單位：mm)

5結(jié)語

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁在橋梁工程中被廣泛采用，但在施工過程中，由于各種原因，預(yù)應(yīng)力鋼束容易出現(xiàn)多種質(zhì)量缺陷，文中從多個方面定性和定量分析評估了預(yù)應(yīng)力缺陷情況，并根據(jù)評估結(jié)果確定合理的加固措施，在箱內(nèi)增加合理數(shù)量的體外預(yù)應(yīng)力束，既不影響外觀，又可大大節(jié)約工期和成本，可為此類橋梁的預(yù)應(yīng)力缺陷評估和加固設(shè)計提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-09-26

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.014