大跨徑PC連續(xù)箱梁橋體外束加固設(shè)計(jì)

金慶利

（徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,江蘇 徐州 221006）

大跨徑PC連續(xù)箱梁橋體外束加固設(shè)計(jì)

金慶利

（徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,江蘇 徐州 221006）

徐州某京杭運(yùn)河大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為變截面PC連續(xù)箱梁橋。由于橋梁周邊港口碼頭較多，車輛超載現(xiàn)象比較嚴(yán)重，在經(jīng)過(guò)六年多的運(yùn)營(yíng)后，連續(xù)梁主跨跨中底板出現(xiàn)橫向裂縫和腹板斜向裂縫等病害，且裂縫呈不斷發(fā)展趨勢(shì)，需要采取加固措施。設(shè)計(jì)提出采用增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力束的方法進(jìn)行加固，并對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行空間仿真分析。在加固并運(yùn)營(yíng)兩年之后，未再出現(xiàn)新的病害，說(shuō)明本次加固有效地提高了老橋的承載能力、壓應(yīng)力儲(chǔ)備及安全系數(shù)，效果良好，可為同類型橋梁加固提供參考。

PC連續(xù)箱梁;體外預(yù)應(yīng)力;加固;空間應(yīng)力分析

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，完成了大批具有世界先進(jìn)水平的橋梁工程。但大量橋梁建成的同時(shí)，由于材料老化、養(yǎng)護(hù)管理不到位、交通量猛增、嚴(yán)重超載等因素，致使許多老橋變成危橋，威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，研究性能優(yōu)越的橋梁加固技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

體外預(yù)應(yīng)力是設(shè)置在混凝土體外的預(yù)應(yīng)力筋給混凝土施加的預(yù)應(yīng)力[1]。體外預(yù)應(yīng)力混凝土也稱無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，是一種預(yù)應(yīng)力筋直接設(shè)置在體外，或者預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置在混凝土體內(nèi)，但無(wú)需進(jìn)行孔道灌漿的無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土。它與預(yù)應(yīng)力混凝土的區(qū)別在于預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的無(wú)粘結(jié)性。自20世紀(jì)80年代開始，無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土在我國(guó)房屋建筑中得到廣泛的應(yīng)用，后來(lái)逐漸被應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中。

采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)可在不影響使用的情況下調(diào)整體外預(yù)應(yīng)力束的應(yīng)力，甚至更換體外預(yù)應(yīng)力束，從而延長(zhǎng)使用壽命。該技術(shù)可保證結(jié)構(gòu)的整體性，新舊體系協(xié)同工作良好，克服了其它加固方法加固材料的應(yīng)力滯后問(wèn)題。另外，體外預(yù)應(yīng)力束布置靈活，可用于多種形式的橋梁結(jié)構(gòu)[2]。近年來(lái)，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)由于具有施工方便、經(jīng)濟(jì)可靠、預(yù)應(yīng)力筋(束)可以單獨(dú)防腐甚至可以更換等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于舊橋的加固工程中。眾多的工程實(shí)踐證明，利用體外預(yù)應(yīng)力加固舊橋，能顯著提高結(jié)構(gòu)承載力、撓度、裂縫寬度，有效改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。

1 工程背景

徐州某京杭運(yùn)河大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為變截面PC連續(xù)箱梁橋，主橋跨徑為（62+100+62）m，主橋上部箱梁采用單箱單室，縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。橋?qū)?2.75 m，箱梁根部梁高5.8 m，跨中梁高2.5 m，箱梁頂板寬12.75 m，底板寬6 m，翼緣板懸臂長(zhǎng)為3.375 m。由于橋梁周邊港口碼頭較多，車輛超載現(xiàn)象比較嚴(yán)重，橋梁通車運(yùn)營(yíng)六年后出現(xiàn)較多病害。通過(guò)對(duì)主橋進(jìn)行橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)和檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)跨中箱梁底板、腹板出現(xiàn)多條斜裂縫，且裂縫嚴(yán)重超限；結(jié)構(gòu)混凝土破損露筋、箱內(nèi)預(yù)應(yīng)力齒板錨頭預(yù)應(yīng)力筋外露、橫隔板斜向裂縫等；底板混凝土縱橫向裂縫的位置存在不同程度空鼓及崩裂現(xiàn)象，技術(shù)狀況等級(jí)為4類（嚴(yán)重）。靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋結(jié)構(gòu)整體剛度雖滿足要求，但承載力未達(dá)到設(shè)計(jì)荷載要求，需要盡快采取加固措施。

2 橋梁概況

2.1 原橋設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）荷載等級(jí)：公路—I級(jí)；

（2）橋梁寬度：2×12.75 m；

（3）地震峰值加速度：0.1 g。

2.2 主橋結(jié)構(gòu)概況

橋梁跨徑組成為6×30 m+（62+100+62）m+6×30 m，主橋?yàn)橹骺纾?2+100+62）m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，引橋?yàn)?0 m裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁。主橋上部箱梁采用單箱單室，縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。橋?qū)?2.75 m，箱梁根部梁高5.8 m，跨中梁高2.5 m，箱梁頂板寬12.75 m，底板寬6 m，翼緣板懸臂長(zhǎng)為3.375 m，箱梁高度按1.8次拋物線變化。箱梁頂板厚度為0.28 m，底板厚度從0.30 m至0.8 m按1.8次拋物線變化，腹板厚度根部0.8 m，跨中為0.5 m。如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 老橋橋型布置（單位:m）

圖2 主橋橫斷面（單位:cm）

圖3 橋梁現(xiàn)狀圖

3 橋梁主要病害

大橋周邊有較多重要港口碼頭，車輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重。在經(jīng)過(guò)六年多的運(yùn)營(yíng)后，主橋連續(xù)梁出現(xiàn)較多病害，且裂縫呈不斷發(fā)展趨勢(shì)。2014年3月，某公路檢測(cè)中心對(duì)主橋進(jìn)行了橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)和檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)跨中箱梁底板出現(xiàn)橫向裂縫，腹板出現(xiàn)多條斜裂縫，并且裂縫嚴(yán)重超限；結(jié)構(gòu)混凝土部分破損露筋；箱內(nèi)預(yù)應(yīng)力齒板錨頭預(yù)應(yīng)力筋外露；橫隔板出現(xiàn)斜向裂縫等；底板混凝土縱橫向裂縫的位置存在不同程度空鼓及崩裂現(xiàn)象，技術(shù)狀況等級(jí)為4類（嚴(yán)重）。如圖4、圖5所示。靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋結(jié)構(gòu)整體剛度雖滿足要求，但承載力并未達(dá)到設(shè)計(jì)荷載要求。

圖4 橋梁主要病害圖

圖5 主橋中跨跨中底板裂縫示意圖

4 橋梁加固設(shè)計(jì)

4.1 加固方案

本次維修加固裂縫處理原則如下:

（1）凡裂縫寬度≥0.15 mm者，做灌漿處理；在腹板粘貼鋼板，頂板粘貼碳纖維布。

（2）凡裂縫寬度＜0.15 mm者，做封閉處理。

針對(duì)裂縫的處理，本文重點(diǎn)介紹體外束加固設(shè)計(jì)情況。鑒于造成病害的原因之一就是多種因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力儲(chǔ)備不足，因此增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力是解決該病害問(wèn)題的有效方法。如圖6所示，本方案兩側(cè) 62 m邊跨每箱各布置 6束 12-7Φ5環(huán)氧涂層鋼鉸線體外索，100 m中跨布置 8束12-7Φ5環(huán)氧涂層鋼鉸線體外索。體外束張拉控制應(yīng)力力為 0.6 fpk,即187 tonf。

體外預(yù)應(yīng)力利用7#墩、8#墩橫隔板，以及鋼結(jié)構(gòu)支架作為鋼束體外預(yù)應(yīng)力束轉(zhuǎn)向支點(diǎn)，在6#墩、9#墩底板厚度變化段部位設(shè)置錨固塊，并通過(guò)植筋與端橫梁連接。施工時(shí)需要對(duì)橫隔板進(jìn)行鉆孔，鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向支架的另一個(gè)作用是增加箱梁的抗扭剛度，相當(dāng)于在轉(zhuǎn)向處增設(shè)了2道橫隔板。錨固座、轉(zhuǎn)向器及減震固定架均為鋼結(jié)構(gòu)，錨固座與混凝土通過(guò)埋植錨栓與梁體連接為一個(gè)整體。

圖6 體外束平面布置圖

4.2 計(jì)算模型

如圖7、圖8和圖9所示。

圖7 平面桿系模型

圖8 空間模型中墩剖面圖

圖9 體外束布置示意圖

4.3 體外預(yù)應(yīng)力加固效應(yīng)分析

4.3.1 極限承載能力檢算

橋梁采用體外束加固后，提高了正截面抗彎承載能力與斜截面抗剪承載能力以及結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)?？缰姓孛婵箯澇休d能力與支點(diǎn)附近的截面抗剪承載能力安全系數(shù)見表1。

表1 加固后跨中正截面強(qiáng)度安全系數(shù)

4.3.2 正常使用狀態(tài)計(jì)算

（1）正截面抗裂：能滿足全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求，并較大地增加了邊跨與中跨底板壓應(yīng)力儲(chǔ)備，加固后底板抗裂檢算結(jié)果見10圖。

圖10 加固后正截面下緣抗裂圖

（2）斜截面抗裂：在不考慮豎向預(yù)應(yīng)力作用下，加固后斜截面主拉應(yīng)力能滿足全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求（見圖 11）。

圖11 加固后斜截面抗裂圖

最大壓應(yīng)力：按照預(yù)應(yīng)力不損失對(duì)截面最大壓應(yīng)力進(jìn)行檢算，截面最大壓應(yīng)力為15.6 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.3.3 空間仿真計(jì)算

橋梁經(jīng)體外束加固后，增加了壓應(yīng)力儲(chǔ)備，增大了原結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，明顯改善了橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。

（1）體外束加固后箱梁下緣正應(yīng)力如圖12所示。

圖12 加固后箱梁下緣正應(yīng)力圖

（2）體外束加固后箱梁腹板內(nèi)表面主拉應(yīng)力如圖13所示。

通過(guò)以上空間應(yīng)力分析，可以看出橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力得到了較為明顯的改善。

4.4 體外預(yù)應(yīng)力束施工

橋梁加固采用12-7Φ5環(huán)氧涂層鋼鉸線體外索，每幅短束四束（TWS3、TWS4、TWS5、TWS8）、通長(zhǎng)束四束（TWS1、TWS2、TWS6、TWS7），預(yù)應(yīng)力筋為空間曲線。左幅預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)分三級(jí)循環(huán)張拉，首先按順序全部張拉至15%，其次全部張拉至30%，再次全部張拉至70%，最后依次全部張拉至100%。右幅施工由于監(jiān)控顯示預(yù)應(yīng)力張拉梁體響應(yīng)偏小，因此，右幅張拉調(diào)整方案為首先按順序全部張拉至15%，然后全部放張，接著全部張拉至30%，再全部張拉至70%，最后依次全部張拉至105%。體外束施工流程、張拉順序以及施工現(xiàn)場(chǎng)如圖14、圖15和圖16所示。

圖13 加固后箱梁腹板內(nèi)表面主拉應(yīng)力圖

圖14 體外束施工流程

圖15 體外束張拉順序

圖16 體外束現(xiàn)場(chǎng)施工圖

5 加固后靜動(dòng)載試驗(yàn)

5.1 加固后靜動(dòng)載試驗(yàn)概述

為了保證橋梁營(yíng)運(yùn)的安全，對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)檢測(cè)與評(píng)定是非常必要且符合國(guó)家有關(guān)規(guī)范的。通過(guò)荷載試驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)橋梁正常使用狀態(tài)的承載力進(jìn)行檢驗(yàn)，可建立和完善系統(tǒng)的橋梁技術(shù)檔案，為今后橋梁養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

橋梁荷載試驗(yàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)物直接加載后進(jìn)行相關(guān)測(cè)試、記錄與分析工作，包括試驗(yàn)準(zhǔn)備、理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析整理等一系列內(nèi)容，以達(dá)到了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和使用狀況的目的。實(shí)橋荷載試驗(yàn)是對(duì)橋梁正常使用性能進(jìn)行評(píng)判時(shí)最直接和有效的方法和手段。測(cè)試橋梁在試驗(yàn)荷載作用下的真實(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)（如應(yīng)變、撓度、裂縫），通過(guò)實(shí)測(cè)值和理論值的對(duì)比，分析橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載狀況，評(píng)價(jià)其在設(shè)計(jì)使用荷載下的工作性能。通過(guò)動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)試橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性和車輛荷載作用下的受迫振動(dòng)性能，分析和檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。

目前對(duì)該橋的維修加固施工已完成，進(jìn)而進(jìn)行荷載試驗(yàn)檢測(cè)，并與維修加固前荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，檢驗(yàn)維修加固效果，確保橋梁后期使用的安全。

5.2 加固后靜動(dòng)載試驗(yàn)主要結(jié)論

（1）通過(guò)外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)加固后橋梁梁體存在新生裂縫病害，原裂縫未有開展，加固后橋梁技術(shù)狀況評(píng)定為二類橋。

（2）在試驗(yàn)荷載下，測(cè)試截面各控制點(diǎn)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，多數(shù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.8～1.0范圍內(nèi)；且卸載后，各測(cè)試截面殘余應(yīng)變均小于5%，小于規(guī)范限值20%。雖然各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)小于1.0，但已接近常規(guī)范圍上限值，測(cè)試結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)荷載下正常使用的要求。

（3）在試驗(yàn)荷載下，橋梁實(shí)測(cè)撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，且大多數(shù)撓度測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)在0.90～1.0范圍內(nèi)，但已接近常規(guī)范圍上限值，卸載后殘余撓度小于5%，滿足規(guī)范小于20%的規(guī)定，測(cè)試結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)剛度能夠滿足設(shè)計(jì)荷載下正常使用的要求。

（4）在試驗(yàn)荷載下，跨中區(qū)域未發(fā)現(xiàn)新生橫向裂縫，結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載能力滿足使用要求，原有封閉的裂縫無(wú)發(fā)展，也并未產(chǎn)生新生裂縫。

（5）通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)，各試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)波形光順，各測(cè)點(diǎn)間的響應(yīng)協(xié)調(diào)；橋梁實(shí)測(cè)一階頻率1.5 Hz，略大于理論一階頻率1.024 Hz，實(shí)測(cè)二階頻率2.3 Hz，略大于理論一階頻率1.95 Hz，說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體剛度基本較好。

（6）通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)（1+μ）為1.023，理論計(jì)算沖擊系數(shù)（1+μ）為1.05，實(shí)測(cè)值稍小于理論計(jì)算值，行車狀況符合要求。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)檢算，老橋的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。但由于橋梁處于重載交通較多的地區(qū)，超載現(xiàn)象嚴(yán)重，大橋?qū)嶋H通行荷載遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致橋梁在實(shí)際運(yùn)營(yíng)后不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了較多病害。因此，應(yīng)加大對(duì)超載車輛的治理力度。

（2）體外預(yù)應(yīng)力束布置靈活，可用于多種形式的橋梁結(jié)構(gòu)。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)由于具有施工方便、經(jīng)濟(jì)可靠，預(yù)應(yīng)力筋(束)可以單獨(dú)防腐，方便更換等特點(diǎn)，必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

（3）本次橋梁加固采用體外預(yù)應(yīng)力束的方式，在加固完成并實(shí)際運(yùn)營(yíng)兩年后，未再出現(xiàn)新的病害，說(shuō)明本次加固方案有效地提高了原橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力、壓應(yīng)力儲(chǔ)備以及安全系數(shù)，對(duì)于同類型橋梁加固具有較好的借鑒意義。

[1]黃僑.公路鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋的體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,1998.

[2]宋文鋒.連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)應(yīng)用研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2009.

U445.7+2

B

1009-7716（2017）12-0073-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.021

2017-8-10

金慶利（1976-），男，山東鄒城人，高級(jí)工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)、科研和管理工作。