預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫病害的加固方法分析

高杰

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院， 福州350007)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫病害的加固方法分析

高杰

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院， 福州350007)

以某高速公路上三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋作為背景工程，針對(duì)該橋墩頂和跨中出現(xiàn)的大量裂縫進(jìn)行機(jī)理研究，根據(jù)裂縫產(chǎn)生機(jī)理選擇體外布置預(yù)應(yīng)力束的加固方法；應(yīng)用空間桿系有限元精細(xì)化分析程序Wiseplus建立實(shí)橋的有限元模型，并且對(duì)體外布置預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行模擬，有限元分析中荷載考慮了正應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)組合，組合值包括恒載、車輛活載、混凝土的徐變、整體溫度場(chǎng)、梯度溫度場(chǎng)以及基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的附加內(nèi)力。通過(guò)有限元計(jì)算分析，對(duì)比了加固前和加固后的梁體的各項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)，分析表明，加固方法能夠較顯著的提高該橋墩頂和跨中的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，對(duì)于針對(duì)性的病害具有良好的處理效果。

預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁；裂縫；有限元模型；體外預(yù)應(yīng)力；加固分析

引言

連續(xù)梁橋針對(duì)不同的病害[1]，常用的加固方法有：施加體外預(yù)應(yīng)力[2-5]、增大截面[6]、粘貼鋼板[7]、粘貼纖維復(fù)合材料[8]或增設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力[9]等方法，其中體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)是一種主動(dòng)加固方法[10-12]，能夠推遲裂縫出現(xiàn)和限制裂縫發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)剛度和承載力，從而恢復(fù)橋梁的正常運(yùn)營(yíng)能力[13-15]。本文以某高速公路上三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋?yàn)楸尘肮こ?，通過(guò)橋梁檢測(cè)，該橋墩頂和跨中位置出現(xiàn)的大量裂縫，采用體外束布置對(duì)梁體進(jìn)行加固，通過(guò)建立橋梁模型的空間有限元模型，對(duì)比分析了加固模型在加固前和加固后的應(yīng)力情況，對(duì)大橋的加固維修效果進(jìn)行評(píng)估。

1背景工程

1.1工程概況

背景工程為某高速公路上的跨線橋工程。主橋采用跨徑為45 m+80 m+45 m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，采用對(duì)稱懸臂施工方法。橋型布置如圖1所示，主橋上部結(jié)構(gòu)為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，按雙幅設(shè)置。箱梁梁高：跨中2.2 m，墩頂處4.6 m，邊墩梁端高2.2 m。箱梁采用單箱單室截面形式，橋梁橫斷面如圖2所示。就單幅橋而言，單幅橋箱梁懸臂長(zhǎng)度為2.8 m，箱室底寬為7.0 m。箱梁頂板厚度0.28 m，底板厚度由主橋中墩頂?shù)?.65 m漸變至跨中的0.25 m。腹板厚度在中橫梁兩側(cè)各18.0 m范圍內(nèi)為0.8 m，向中跨及邊跨各12.0 m范圍內(nèi)由0.8 m漸變至0.45 m，跨中段腹板厚0.45 m；端橫梁處腹板厚度由0.8 m漸變至0.45 m，變化段長(zhǎng)度為2.72 m；箱梁頂面設(shè)置1.5%的單向橫坡，通過(guò)腹板高度變化實(shí)現(xiàn)。梁底下緣及底板上緣均按二次拋物線變化。

全橋設(shè)置4道橫梁，主墩處中橫梁厚度為2.0 m，邊墩處端橫梁厚1.2 m，ss15.20的鋼絞線(fpk=1860 MPa)。橋面板橫向預(yù)應(yīng)力采用扁錨，豎向預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋鋼筋。箱梁采用C50混凝土。

圖1橋型布置圖(單位：cm)

圖2橋左、右幅橫斷面圖(單位：cm)

1.2主要病害原因及其現(xiàn)狀

根據(jù)該橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告可知，本橋結(jié)構(gòu)性開(kāi)裂病害主要集中在左幅橋箱梁的墩頂和跨中位置：

(1)4#墩、5#墩頂處發(fā)現(xiàn)大量的橫向、豎向、斜向裂縫：4#墩距第3跨12.55 m至4#墩距第五跨5.8 m之間左側(cè)腹板有48條橫向、斜向、豎向裂縫，橫向裂縫長(zhǎng)度均貫通翼板，有8條裂縫延伸至腹板，裂縫最大縫寬為0.22 mm；4#墩距第3跨12.5 m至4#墩距第5跨8.5 m之間右側(cè)腹板有36條橫向、斜向、豎向裂縫，橫向裂縫長(zhǎng)度均貫通翼板，有18條裂縫延伸至腹板，裂縫最大縫寬為0.26 mm。

(2)5#墩距第4跨10.6 m至5#墩距第6跨11.5 m之間左側(cè)腹板有38條橫向、斜向、豎向裂縫，橫向裂縫長(zhǎng)度均貫通翼板，有10條裂縫延伸至腹板，裂縫最大縫寬為0.25 mm；5#墩距第4跨4.3 m至5#墩距第6跨8.0 m之間右側(cè)腹板有38條橫向、斜向、豎向裂縫，橫向裂縫長(zhǎng)度均貫通翼板，有15條裂縫延伸至腹板，裂縫最大縫寬為0.25 mm。

箱梁主要開(kāi)裂病害總體展開(kāi)圖如圖3所示。

圖3橋梁主要病害總體展開(kāi)圖(單位：cm)

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告提供的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析可知：墩頂處截面翼緣板貫穿橫向裂縫是由于墩頂負(fù)彎矩處預(yù)應(yīng)力不足導(dǎo)致，腹板裂縫是由于翼緣板裂縫延伸所致。本加固方案設(shè)計(jì)主要針對(duì)墩頂貫穿橫向裂縫和跨中橫向裂縫，目標(biāo)為增加墩頂和跨中處截面的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，彌補(bǔ)預(yù)應(yīng)力的不足，提高橋梁的剛度及耐久性。

2加固方法的有限元分析

2.1計(jì)算模型

采用空間桿系有限元精細(xì)化分析程序Wiseplus對(duì)該橋進(jìn)行加固分析，對(duì)該橋建立“梁+板”表達(dá)的空間網(wǎng)格模型，全橋共建立1994個(gè)節(jié)點(diǎn)和3610個(gè)單元，共劃分了14道縱梁，如圖4所示。體外束通過(guò)剛臂與臨近縱梁連接施加預(yù)應(yīng)力。

但是，彈一個(gè)“極弱音”很容易，困難的是彈一組連續(xù)的“極弱音”，因?yàn)橐贿B串質(zhì)地類似的“極弱音”要求我們?cè)趶椬嗝恳粋€(gè)音之前，都預(yù)備好相應(yīng)的“慢動(dòng)作”。如果在彈奏第一個(gè)音時(shí)，第二個(gè)音所需的手指沒(méi)有開(kāi)始“慢動(dòng)作”，那就無(wú)法彈出下一個(gè)弱音，或只能以極慢的速度彈奏下一個(gè)弱音。

圖4截面劃分及其有限元模型示意圖

加固用體外束布置形式為：中墩距墩頂5 m、6.75 m、8.5 m、23 m、27 m和31 m范圍內(nèi)于箱梁頂板上方3 cm處各依次布置3-3-3-2-2-2根3-φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為1116 MPa；通長(zhǎng)體外束在箱梁兩側(cè)各布置2根12-φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為1116 MPa。

2.2計(jì)算參數(shù)

支座邊界條件：按實(shí)際支座約束模擬。收縮徐變：混凝土徐變時(shí)間考慮3年，加載齡期取7天，濕度取80%。整體溫度：因溫度變化引起的附加內(nèi)力按降溫15 ℃、升溫10 ℃計(jì)算。梯度溫度：按JTGD60-2015規(guī)范定義溫度場(chǎng)，取瀝青混凝土鋪裝層厚8 cm?；A(chǔ)變位：橋墩沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加內(nèi)力按邊墩0.5 cm、中墩1 cm計(jì)算?；钶d：城市-A級(jí)，不計(jì)人群，三車道加載，沖擊系數(shù)取0.05，按影響面加載。

2.3加固標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)檢查發(fā)現(xiàn)的各種病害和橋跨結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行維修加固設(shè)計(jì)，主要目的和基本思路為：

(1)彌補(bǔ)原結(jié)構(gòu)體內(nèi)鋼絞線的預(yù)應(yīng)力不足或損失。

(2)增加主梁縱橋向的正應(yīng)力儲(chǔ)備。

(3)避免對(duì)原結(jié)構(gòu)造成新的損傷。

通過(guò)橋梁的精細(xì)化計(jì)算分析，綜合考慮橋梁各項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)后，確定加固后(考慮墩頂彎束的損失)墩頂壓應(yīng)力儲(chǔ)備較原設(shè)計(jì)增加約1 MPa，跨中壓應(yīng)力儲(chǔ)備增加2～3 MPa。

2.4計(jì)算結(jié)果分析

取底板5，頂板7，腹板3加固前和加固后計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖5所示，圖5中結(jié)果為考慮恒載+活載+徐變+整體溫度+梯度溫度+基礎(chǔ)沉降的正應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)組合值。圖5中，彈性組合1為考慮車道荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，用于腹板和底板計(jì)算；彈性組合2為考慮車輛荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，用于頂板計(jì)算。

由圖5可知，縱梁7為墩頂束連接縱梁，加固前應(yīng)力在-16.5 MPa～4.15 MPa之間，加固后除體外束張拉端應(yīng)力集中區(qū)域外縱梁大部分區(qū)域應(yīng)力在-22.87 MPa～3.894 MPa之間；縱梁3為通長(zhǎng)體外束連接縱梁，加固后各區(qū)域壓應(yīng)力儲(chǔ)備增加2～3 MPa；其他各縱梁加固后應(yīng)力均有一定程度的改善。

3加固效果綜合分析

根據(jù)空間網(wǎng)格模型的精細(xì)化分析結(jié)果，可得出各模型下標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力，見(jiàn)表1。

圖5標(biāo)準(zhǔn)組合正應(yīng)力

表1各模型標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力值

由表1分析數(shù)據(jù)可知，采用本文提出的體外預(yù)應(yīng)力加固方案后，得到加固效果及建議如下：

(1)考慮原墩頂預(yù)應(yīng)力不足，墩頂壓應(yīng)力儲(chǔ)備減小1.575 MPa～2.337 MPa，跨中壓應(yīng)力儲(chǔ)備基本不變。

(2)加固后，較原設(shè)計(jì)墩頂壓應(yīng)力儲(chǔ)備增加2.318 MPa～2.508 MPa，跨中壓應(yīng)力儲(chǔ)備增加2.838 MPa～2.855 MPa。

(3)若考慮原墩頂預(yù)應(yīng)力張拉不到位而減小的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，在原設(shè)計(jì)應(yīng)力水平下，體外束加固后墩頂壓應(yīng)力儲(chǔ)備增加0.127 MPa～0.923 MPa、跨中壓應(yīng)力儲(chǔ)備增加2.262 MPa～2.276MPa。

(4)施工要嚴(yán)格按照加固設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行，否則難以達(dá)到優(yōu)良的加固效果。

(5)橋梁運(yùn)營(yíng)要嚴(yán)格限制超載，以防裂縫的再次發(fā)生。

[1] JTG/T J22-2008,公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[s].

[2] 郝明磊.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究[D].青島:青島理工大學(xué),2012.

[3] 梁曾奇.混凝土薄壁箱梁體外預(yù)應(yīng)力加固關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2015.

[4] 陳小英,卓靜,李唐寧,等.多點(diǎn)錨固體外無(wú)粘結(jié)CFRP預(yù)應(yīng)力加固RC梁的抗彎性能[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2016,39(4):41-49.

[5] 王書濤,劉利軍.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁體外束無(wú)損張拉施工技術(shù)[J].公路,2016(5):93-96.

[6] 徐平,魏建東,蔡迎春,等.原橋與加固橋的承載能力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2016(s1):321-327.

[7] 勵(lì)東東.粘貼加固預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁橋的受力特性分析[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2013.

[8] 嚴(yán)景明.粘貼預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在加固混凝土T梁中的作用[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息,2012(13):223-223.

[9] 燕同凱,袁新華,劉曙光.變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板縱向開(kāi)裂機(jī)理與加固方法[J].結(jié)構(gòu)工程師,2013,29(4):179-182.

[10] 貟寶鋒.寬翼緣預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁裂縫成因分析及加固方法研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2014.

[11] 吳有松,張銘.組合式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁加固設(shè)計(jì)[J].中外公路,2015,35(4):154-156.

[12] 袁鋒.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫成因解析與維修加固[J].城市建筑,2015(11):329-329.

[13] 李華.云南現(xiàn)役大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)戏治黾肮こ虘?yīng)用措施研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2014.

[14] MOON D Y,SIM J,OH H.Practical crack control during the construction of precast segmental box girder bridges[J].Computers & Structures,2005,83(31-32):2584-2593.

[15] HUANG D,HU B.Cracking Analysis of a Precast Concrete Segmental Box Girder Bridge[C]//Transportation Research Board 92nd Annual Meeting,2013.

The Reinforcement Method Analysis of Cracks of the Prestressed Concrete Continuous Box Girder Bridge

GAOJie

(Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, China)

Taking three span prestressed concrete continuous box girder bridge with variable cross section in a highway as the background, the mechanism of cracks in the bridge pier top and cross was explored, and the strengthening method of the external strand was adopted according to fracture mechanism. The real bridge model was established by the fine finite element program Wiseplus, and the external strand was simulated by the finite element analysis. The combination of normal stresses was considered in the finite element analysis, including the dead load, the live load of the vehicle, the creep of concrete, the temperature field of the whole, the additional internal force generated by the gradient temperature field and the foundation settlement. The beam stress index analysis showed that the reinforcement method can significantly improve the compressive stress of the pier top and the cross. The analysis shows that the reinforcement method can significantly improve the compression stress of the bridge pier top and the cross, and has good treatment effect to the disease.

prestressed continuous box girder with variable cross section; crack；finite element model; external prestressing; reinforcement analysis

2016-11-02

福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA15664)

高 杰(1966-)，男，福建平潭人，副教授、高級(jí)工程師，主要從事橋梁施工及檢測(cè)方面的研究，(E-mail)gj1966@163.com

1673-1549(2017)02-0063-05

10.11863/j.suse.2017.02.13

TU311.3

A