某連續(xù)剛構(gòu)橋局部預(yù)應(yīng)力鋼束失效分析及修復(fù)

許 晟

(1.福建省高速公路建設(shè)總指揮部 福建福州 350001； 2.福州莆炎高速公路有限公司 福建福州 350000)

0 引言

由于多種因素影響，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在施工過程存在著許多影響橋梁質(zhì)量和安全的病害，如預(yù)應(yīng)力張拉失控、混凝土空鼓、孔道位置偏差等[1-2]。王藝洋[3]、李露[4]、趙卓[5]和金衛(wèi)[6]等采用有限元分析方法，定性定量分析這些實(shí)際施工過程的病害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響程度。

本文以某變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋箱梁頂部預(yù)應(yīng)力鋼束圓曲線段下沉和頂板空鼓病害修復(fù)為背景，通過有限元分析該橋局部應(yīng)力和整體受力狀態(tài)，分析該病害對橋梁的影響程度，并提出病害修復(fù)方案。研究結(jié)論為類似工程修復(fù)提供參考。

1 工程概況

某大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為60+110+60m變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁，主橋下部結(jié)構(gòu)橋墩采用薄壁墩，基礎(chǔ)采用挖孔灌注樁+承臺(tái)基礎(chǔ)。采用雙幅橋設(shè)計(jì)，橋梁平面位于曲線上。竣工驗(yàn)收前發(fā)現(xiàn)大橋左幅第六跨箱內(nèi)距離5#梁40m 頂板W4號齒塊處約有1.5m×2.0m范圍空鼓，且空鼓處W4號預(yù)應(yīng)力鋼束在圓曲線段有下沉現(xiàn)象，最大下沉量約4cm。位置如圖1所示，病害現(xiàn)場照片如圖2所示。

圖1 位置示意圖(單位：cm)

圖2 病害圖示

2 有限元模型

采用橋梁博士軟件建立全橋有限元模型，上部結(jié)構(gòu)分為88個(gè)單位。共劃分34個(gè)施工階段，模擬大橋左幅第六跨左側(cè)W4號鋼束下沉按鋼束完全失效的極限情況進(jìn)行驗(yàn)算。W4號鋼束失效與否對剪力并無影響，因此不對結(jié)構(gòu)剪力進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 橋梁博士計(jì)算模型

設(shè)計(jì)荷載為公路-I級，主梁采用C55混凝土；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)度低松馳17絲捻制的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑15.20mm，公稱面積139mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，1000h后應(yīng)力松馳率不大于2.5%，預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管成形，管道摩擦系數(shù)u=0.17；管道偏差系數(shù)K=0.0015m；錨具變形和鋼束回縮量為6mm(單端)。其他均按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[7]和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]取值。

根據(jù)《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定，運(yùn)營階段針對拱肋與橋面系主要考慮以下荷載組合，其中組合I、II為承載能力極限狀態(tài)組合，組合III～V為正常使用極限狀態(tài)組合。

組合Ⅰ：1.2自重+1.0預(yù)應(yīng)力+1.0收縮徐變+1.4汽車荷載(含沖擊)；

組合Ⅱ：1.2自重+1.0預(yù)應(yīng)力+1.0收縮徐變+1.4汽車荷載(含沖擊)+1.12溫度效應(yīng)(整體升降溫與溫度梯度)；

組合Ⅲ：1.0自重+1.0預(yù)應(yīng)力+1.0收縮徐變+0.7汽車荷載(不計(jì)沖擊)+1.0整體升降溫；

組合Ⅳ：1.0自重+1.0預(yù)應(yīng)力+1.0收縮徐變+0.7汽車荷載(不計(jì)沖擊)+1.0整體升降溫+0.8溫度梯度；

組合Ⅴ：1.0自重+1.0預(yù)應(yīng)力+1.0收縮徐變+1.0汽車荷載(含沖擊)+1.0整體升降溫+1.0溫度梯度。

3 計(jì)算分析

3.1 局部應(yīng)力分析

對比W4號鋼束失效前后，該截面正常使用極限狀態(tài)組合下縱梁截面上下緣的最大最小正應(yīng)力和主應(yīng)力如表1所示，由表1可知，W4號鋼束失效后，應(yīng)力滿足要求，但是上緣正應(yīng)力增大2.7%，下緣正應(yīng)力增大27.0%,主應(yīng)力增大2.1%。

表1 W4號鋼束失效前后截面應(yīng)力比較

3.2 整體受力分析

3.2.1承載能力極限狀態(tài)

圖4和圖5分別列出基本組合下全橋最大(小)彎矩及其對應(yīng)的抗力，淺色、深色分別代表最大(小)彎矩對應(yīng)抗力及最大(小)彎矩。最大(小)彎矩對應(yīng)抗力及最大(小)彎矩，具體如表2所示。由圖4～圖5及表2可見，承載能力極限狀態(tài)下全橋的正截面抗彎強(qiáng)度滿足要求。

圖4 最大抗力及抗力對應(yīng)內(nèi)力圖(單位：MPa)

圖5 最小抗力及抗力對應(yīng)內(nèi)力圖(單位：MPa)

表2 正截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算表 kN·m

3.2.2正常使用極限狀態(tài)

(1)抗裂驗(yàn)算

如圖6所示短期效應(yīng)組合下縱梁截面上下緣的最大最小正應(yīng)力，主梁上(下)方淺色、深色分別代表上、下緣的最大、最小正應(yīng)力。如圖7所示出短期效應(yīng)組合下縱梁截面的最大最小主應(yīng)力，淺色、深色分別代表最大主壓應(yīng)力及最大主拉應(yīng)力。正應(yīng)力和主應(yīng)力的最大值匯于表3，應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。本橋短期效應(yīng)組合下的抗裂驗(yàn)算滿足要求。

圖6 短期效應(yīng)組合正應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖7 短期效應(yīng)組合主應(yīng)力圖(單位：MPa)

表3 短期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算表 MPa

(2)應(yīng)力驗(yàn)算

圖8為標(biāo)準(zhǔn)組合下縱梁截面上下緣的最大、最小正應(yīng)力，主梁上(下)方淺色、深色分別代表上、下緣的最大、最小正應(yīng)力。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)組合正應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖9為標(biāo)準(zhǔn)組合下縱梁截面的最大、最小主應(yīng)力，淺色、深色分別代表最大主壓應(yīng)力及最大主拉應(yīng)力。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)組合主應(yīng)力圖(單位：MPa)

正應(yīng)力和主應(yīng)力的最大值匯于表4。由表4可見，應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。本橋在持久狀況下混凝土的應(yīng)力滿足要求。

表4 持久狀況混凝土應(yīng)力驗(yàn)算表 MPa

(3)撓度驗(yàn)算

按照新《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，受彎構(gòu)件在使用階段的撓度應(yīng)考慮荷載長期效應(yīng)的影響。該橋采用C55混凝土，其撓度長期增長系數(shù)ηθ=1.4125，消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后，主梁的最大撓度不應(yīng)超過計(jì)算跨徑的1/600。表5列出消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的撓度后主梁撓度最大值。

表5 極限狀態(tài)撓度驗(yàn)算表 mm

(4)預(yù)應(yīng)力鋼束驗(yàn)算

正常使用極限狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力最大為1201MPa，失效前后變化較小，均小于1208MPa，滿足規(guī)范要求。

該橋在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下，裂縫、應(yīng)力和撓度驗(yàn)算均符合規(guī)范要求；且驗(yàn)算時(shí)，假設(shè)W4號預(yù)應(yīng)力鋼束完全失效，但實(shí)際上W4號預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力只是損失了部分預(yù)應(yīng)力，并未完全失效。所以，實(shí)際上橋梁性能優(yōu)于計(jì)算結(jié)果，不管是局部受力還是全橋受力，均能滿足要求。因此，橋梁箱內(nèi)空鼓缺陷不會(huì)對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

4 修復(fù)方法研究

由于W4號鋼束下沉段位于圓曲線段，張拉時(shí)產(chǎn)生沿著橋軸線方向的向下分力，同時(shí)由于施工時(shí)混凝土澆筑振搗控制不到位，導(dǎo)致鋼束下部形成空鼓并造成鋼束下沉。雖然現(xiàn)階段空鼓不會(huì)對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，但若不進(jìn)行修補(bǔ)，在長期運(yùn)營狀態(tài)下，環(huán)境會(huì)對裸露的鋼筋和鋼束波紋管產(chǎn)生影響，逐漸產(chǎn)生銹蝕等病害，因此應(yīng)對其進(jìn)行修復(fù)。而且，在修復(fù)時(shí)，要防止鋼束繼續(xù)下沉，并修補(bǔ)混凝土空鼓。

4.1 混凝土空鼓

空鼓修復(fù)應(yīng)先判明空鼓范圍，將松散混凝土鑿除并露出新鮮骨料，采用同標(biāo)號高強(qiáng)度、強(qiáng)粘結(jié)性的混凝土進(jìn)行填充，確保與舊混凝土的粘結(jié)。具體的修復(fù)步驟如圖10所示。

(a) 鑿除空鼓

(b)植入U(xiǎn)型鋼筋

(c)環(huán)氧混凝土修補(bǔ)圖10 空鼓的修復(fù)方法

(1)對空鼓處進(jìn)行鑿除。

(2)使用直徑16mm的U型鋼筋對下沉的預(yù)應(yīng)力鋼束通過鉆孔植筋的方式進(jìn)行固定。

(3)對鋼筋進(jìn)行除銹防銹處理。

(4)對鑿除范圍進(jìn)行清洗。

(5)采用C55環(huán)氧混凝土人工填充空鼓位置，分層填充，每層厚度不得超過2cm。

(6)灑水養(yǎng)護(hù)。

4.2 預(yù)應(yīng)力鋼束下沉

雖然W4預(yù)應(yīng)力鋼束下沉損失了部分預(yù)應(yīng)力，對整體結(jié)構(gòu)性能影響較小，但局部仍會(huì)受到一定影響。為防止預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)一步下沉，除在空鼓修復(fù)時(shí)用U型筋固定外，還采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板修復(fù)。預(yù)應(yīng)力碳纖維板可以使碳纖維板強(qiáng)度有效發(fā)揮，提升結(jié)構(gòu)承載力，同時(shí)提高受彎構(gòu)件的抗彎剛度，減少原構(gòu)件的撓度，抑制構(gòu)件變形和裂縫擴(kuò)展。具體步驟如圖11所示。

(1)在W4號齒塊旁粘貼碳纖維板，粘貼的碳纖維板長度應(yīng)與W4鋼束相近，且縱向位置盡量與W4號預(yù)應(yīng)力鋼束所在位置重合，并延伸到彎起處。共粘貼3條碳纖維板，單片碳纖維板寬100mm、厚10mm。

(2)使用100cm×10cm碳纖維布壓條對碳纖維板進(jìn)行固定。

5 結(jié)論

(1)頂板局部鋼束失效后，截面上緣正應(yīng)力略微增大，截面下緣正應(yīng)力變化較大，但仍滿足規(guī)范要求。

(2)承載能力極限狀態(tài)下全橋的正截面抗彎強(qiáng)度滿足要求；正常使用極限狀態(tài)下應(yīng)力、撓度和裂縫驗(yàn)算等均符合規(guī)范要求。

(3)對混凝土空鼓修復(fù)采用的步驟和方法：首先，鑿除空鼓；其次，使用U型鋼筋對下沉的預(yù)應(yīng)力鋼束固定；再次，涂抹環(huán)氧混凝土修復(fù)空鼓位置。

(4)對預(yù)應(yīng)力鋼束下沉修復(fù)，可采用沿預(yù)應(yīng)力鋼束粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板，錨固點(diǎn)位于彎起處，并使用碳纖維布壓條對碳纖維板進(jìn)行固定。