混凝土連續(xù)箱梁體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究

張運(yùn)清，趙慶云，孟濤

(山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 山東 濟(jì)南 250031)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋具有行車平順、抗扭剛度大、變形小、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，在中國(guó)公路及城市橋梁中廣泛應(yīng)用，但是隨著自身劣化、車輛超載、環(huán)境腐蝕等因素影響，許多箱梁底板、腹板等部位出現(xiàn)裂縫病害，裂縫的存在會(huì)削弱梁體剛度和強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)的受力因剛度的變化導(dǎo)致內(nèi)力重分布，影響結(jié)構(gòu)的使用耐久性及承載安全性，甚至?xí)斐蓸蛄航Y(jié)構(gòu)的破壞，必須對(duì)其進(jìn)行加固。JTG/T J22-2008《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)幾種常見加固方法進(jìn)行了說明，其中，體外預(yù)應(yīng)力加固法布置靈活、運(yùn)營(yíng)干擾少，不僅能顯著提高結(jié)構(gòu)承載能力，還具有增大結(jié)構(gòu)剛度、調(diào)整結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)等作用，在舊橋加固工程中廣泛應(yīng)用。

如何準(zhǔn)確推斷病害橋梁的損傷情況，并合理確定體外預(yù)應(yīng)力度是體外預(yù)應(yīng)力加固法的難點(diǎn)，該文以某高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為研究對(duì)象，通過靜載試驗(yàn)與有限元模型結(jié)果對(duì)比分析，合理確定病害箱梁需施加的體外預(yù)應(yīng)力，并通過靜載試驗(yàn)對(duì)加固效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

某高速公路橋梁上部結(jié)構(gòu)采用等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑組合為(9×30+8×30+8×30+3×30+4×45+6×45)m，橋梁全寬19.55 m，箱梁混凝土為C50，主梁采用單箱雙室斷面，梁高1.8 m，箱梁頂板寬度19.55 m，底板寬度10.77 m，懸臂長(zhǎng)度3.9 m，懸臂板根部厚65 cm，端部20 cm，箱梁內(nèi)頂板厚度25 cm，底板厚度25 cm，腹板厚度45～60 cm，箱梁橫斷面如圖1、2所示。箱梁采用縱、橫兩向預(yù)應(yīng)力體系，單根鋼絞線直徑d=15.2 mm，管道成孔采用塑料波紋管，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。

圖1 箱梁端部斷面圖(單位：cm)

圖2 箱梁跨中斷面圖(單位：cm)

2 連續(xù)箱梁病害情況及原因分析

根據(jù)2015、2016年定期檢測(cè)報(bào)告，該橋第2聯(lián)(79#～86#跨)箱梁裂縫相對(duì)較多，主要存在底板橫縫、腹板豎縫、L形縫、縱縫等病害，其中，第79#、81#、86#跨箱梁底板主要存在少量縱縫，絕大部分沿預(yù)應(yīng)力管道分布，縫寬0.05～0.2 mm；第80#、82#～84#跨箱梁底板的橫縫、腹板豎縫、L形縫主要分布在預(yù)應(yīng)力連接器截面至跨中范圍，且分布較為密集，縫寬為0.05～0.15 mm；85#跨箱梁底板橫縫、腹板豎縫、L形縫主要分布在跨中范圍，且分布較為密集，縫寬為0.05～0.15 mm。另外，通過對(duì)第2聯(lián)連續(xù)箱梁進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分梁體存在縱向預(yù)應(yīng)力鋼束橫向偏位、鋼絞線松弛、壓漿不飽滿、管道內(nèi)積水等病害。

根據(jù)第2聯(lián)連續(xù)箱梁橫向裂縫分布、形態(tài)及專項(xiàng)檢測(cè)可推斷，連續(xù)箱梁底板部分預(yù)應(yīng)力鋼絞線松弛導(dǎo)致梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力不足，在自重和車輛荷載的作用下梁體出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性裂縫，這是造成箱梁底板橫縫、L形縫的主要原因，另外，施工期間支架不均勻沉降、混凝土養(yǎng)護(hù)不當(dāng)也會(huì)使梁體產(chǎn)生底板橫縫、腹板豎縫、L形縫，屬于次要原因。

3 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)是橋梁整體剛度、強(qiáng)度的重要檢測(cè)手段，具有直觀可靠、可信度高的特點(diǎn)。由于該橋第2聯(lián)(79#～86#跨)連續(xù)箱梁橫向裂縫病害較為突出，為了解該聯(lián)各橋跨梁體的工作狀況，檢驗(yàn)橋梁承受設(shè)計(jì)荷載的能力，同時(shí)為下一步橋梁加固設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)的性能參數(shù)，根據(jù)JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》和JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》要求對(duì)該聯(lián)箱梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，靜載(中載)作用下各跨撓度校驗(yàn)系數(shù)如圖3所示。

圖3 靜載(中載)作用下各跨撓度校驗(yàn)系數(shù)

由圖3可得：對(duì)于基本無橫向裂縫的79#、81#、86#跨，撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，表明結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求；對(duì)于橫向裂縫較多的80#、84#跨，撓度校驗(yàn)系數(shù)雖小于1，表明結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求，但校驗(yàn)系數(shù)貼近臨界值，表明結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備低；對(duì)于橫向裂縫較多的82#、83#、85#跨撓度校驗(yàn)系數(shù)均大于1.0，表明結(jié)構(gòu)剛度不滿足設(shè)計(jì)要求。

通過靜載試驗(yàn)可知，部分橋跨的箱梁實(shí)際工作狀況要差于理論狀況，部分橋跨跨中截面橫向裂縫較多導(dǎo)致剛度折減，從而在荷載作用下?lián)隙戎递^大，這不僅嚴(yán)重影響橋梁的使用性能，而且也降低了橋梁的安全性。為保證橋梁安全，需要對(duì)箱梁補(bǔ)強(qiáng)加固，經(jīng)比較決定采用體外預(yù)應(yīng)力加固方案。

4 加固方案設(shè)計(jì)

體外預(yù)應(yīng)力作為一種主動(dòng)加固技術(shù)能顯著提高橋梁的承載能力和正常使用性能，但如何根據(jù)梁體實(shí)際工作狀況合理確定所需的體外預(yù)應(yīng)力尤為關(guān)鍵，所以在進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固前應(yīng)了解箱梁實(shí)際損傷狀況，再結(jié)合體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)原則綜合確定各跨所需的合理體外預(yù)應(yīng)力。

4.1 現(xiàn)澆箱梁損傷狀況

根據(jù)各跨靜載試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合各跨箱梁病害情況，可知第2聯(lián)(79#～86#跨共8孔)各橋跨結(jié)構(gòu)剛度均有不同程度折減，導(dǎo)致梁體在活載作用下結(jié)構(gòu)撓度增大。為了解箱梁實(shí)際損傷狀況，建立第2聯(lián)現(xiàn)澆箱梁有限元模型，通過逐級(jí)調(diào)整截面剛度可得到各跨在靜載試驗(yàn)荷載(中載)作用下?lián)隙壤碚撚?jì)算值，根據(jù)理論計(jì)算值與靜載試驗(yàn)試測(cè)值對(duì)比，可初步確定各跨箱梁實(shí)際損傷狀況。

按照原橋結(jié)構(gòu)尺寸及材料屬性，采用Midas/Civil 2015建立第2聯(lián)現(xiàn)澆箱梁有限元模型，模型中梁?jiǎn)卧獮?25個(gè)，節(jié)點(diǎn)226個(gè)，邊界條件按照支座及橋墩組合剛度模擬，施加與靜載試驗(yàn)等效的車輛荷載，荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)汽車荷載。

在靜載試驗(yàn)荷載作用下，第2聯(lián)(79#～86#跨共8孔)各跨在不同截面剛度折減的條件下?lián)隙壤碚撚?jì)算值與相應(yīng)靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同剛度折減下?lián)隙壤碚撚?jì)算值與靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖4可知：各跨實(shí)際剛度大小不同，剛度折減比例均在20%以內(nèi)，其中83#跨剛度折減最為明顯，剛度折減接近20%，其次是82#、85#跨剛度折減分別為10%、15%，其余跨剛度折減不明顯，這與各橋跨實(shí)際存在裂縫病害情況較為一致，即橋跨箱梁橫向裂縫越多，截面剛度折減越大，在荷載作用下?lián)隙戎翟酱蟆?/p>

4.2 體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)原則

根據(jù)各橋跨的實(shí)際工作狀況，對(duì)梁體施加合理的體外預(yù)應(yīng)力非常重要，若預(yù)加力過小，則無法發(fā)揮加固作用，影響加固效果；若預(yù)加力過大，可能導(dǎo)致梁體出現(xiàn)其他損傷，起到反作用。對(duì)于正在運(yùn)營(yíng)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，目前無有效方法定量地確定預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效預(yù)應(yīng)力，但是可以采用靜載試驗(yàn)與有限元理論計(jì)算對(duì)比分析方法，推斷橋梁的整體損傷程度，為體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為了保證加固效果又避免加固后帶來其他損傷，在采用體外預(yù)應(yīng)力加固各跨箱梁時(shí)應(yīng)滿足以下兩條原則：

原則1：根據(jù)各跨實(shí)際工作狀況增設(shè)適當(dāng)?shù)捏w外預(yù)應(yīng)力束，通過理論計(jì)算使結(jié)構(gòu)由體外預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反拱值等于或大于活載撓度增大值(靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與理論值之差)。

原則2：控制加固后結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的應(yīng)變(應(yīng)力)增量在結(jié)構(gòu)所能承受或規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

4.3 體外預(yù)應(yīng)力選取

體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土連續(xù)箱梁時(shí)應(yīng)合理選取體外預(yù)應(yīng)力規(guī)格及張拉控制應(yīng)力。由于高速公路超載現(xiàn)象較多，可能對(duì)梁體承載能力或正常使用有影響，在選擇體外預(yù)應(yīng)力規(guī)格時(shí)盡量選用偏大規(guī)格。由于安裝誤差、材料損傷、預(yù)應(yīng)力損失等因素導(dǎo)致實(shí)際預(yù)加力與理論計(jì)算相比偏小，所以在設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用較大的張拉控制應(yīng)力，綜合以上因素并考慮箱梁內(nèi)部實(shí)際施工空間的限制，設(shè)計(jì)采用15-15型體外預(yù)應(yīng)力鋼束加固，體外預(yù)應(yīng)力鋼束由15根φ15.24單絲環(huán)氧涂覆型無黏結(jié)鋼絞線組成，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，每跨設(shè)置4束。具體布置形式如圖5、6所示。

圖5 體外預(yù)應(yīng)力鋼束布置立面圖(單位：cm)

圖6 體外預(yù)應(yīng)力鋼束布置跨中橫斷面圖(單位：cm)

通過建立與梁體實(shí)際工作狀況相符的有限元模型，計(jì)算體外預(yù)應(yīng)力束作用下各跨梁體理論反拱值，并與靜載試驗(yàn)荷載作用下實(shí)測(cè)值與理論值的差值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)原則，從而得到需加固橋跨體外預(yù)應(yīng)力束張拉控制應(yīng)力如表1所示。

表1 需加固橋跨體外預(yù)應(yīng)力參數(shù)

各橋跨施加的體外預(yù)應(yīng)力大小是綜合靜載試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果而得出的，是一種對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的近似補(bǔ)償，因此要求補(bǔ)強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力加固體系具備可調(diào)性，所以體外預(yù)應(yīng)力錨具均采用了可調(diào)可換錨具。

5 加固效果

靜載試驗(yàn)結(jié)果作為加固效果檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)的重要手段和依據(jù)，可以很直觀地得到加固前后結(jié)構(gòu)剛度等的變化。依據(jù)體外預(yù)應(yīng)力規(guī)格及張拉控制應(yīng)力對(duì)各橋跨進(jìn)行加固施工，并采用靜載試驗(yàn)荷載對(duì)加固后的第2聯(lián)(79#～86#跨)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，得到加固前、后各跨撓度校驗(yàn)系數(shù)，如圖7所示。

圖7 加固前后各橋跨撓度校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比

從圖7可以看出：體外預(yù)應(yīng)力加固后第2聯(lián)各跨撓度校驗(yàn)系數(shù)與加固前相比均有明顯降低，且撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，表明各跨實(shí)際工作狀況好于理論狀況，其中，病害較嚴(yán)重的82#、83#、85#跨撓度校驗(yàn)系數(shù)降低了20%左右，其余跨均有不同程度的降低，從靜載試驗(yàn)結(jié)果看，體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土連續(xù)箱梁達(dá)到了預(yù)期效果，但是部分橋跨撓度校驗(yàn)系數(shù)接近于1.0，建議對(duì)加固效果進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，必要時(shí)可對(duì)體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制應(yīng)力進(jìn)行二次調(diào)整。

6 結(jié)語(yǔ)

體外預(yù)應(yīng)力加固作為一種主動(dòng)加固技術(shù)能顯著提高橋梁的承載能力和正常使用性能，但如何根據(jù)梁體實(shí)際工作狀況合理地施加體外預(yù)應(yīng)力尤為關(guān)鍵，該文結(jié)合現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，分析了病害原因，通過靜載試驗(yàn)與有限元模型對(duì)比，分析得到了箱梁實(shí)際工作狀況，并結(jié)合體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)原則合理確定了各跨的體外預(yù)應(yīng)力規(guī)格及張拉控制應(yīng)力，經(jīng)加固前、后靜載試驗(yàn)對(duì)比，加固效果良好，確保了橋梁安全運(yùn)營(yíng)。