高兆東
(江蘇京滬高速公路有限公司,江蘇 淮安 230005)
京滬高速公路(江蘇段)2000年竣工通車,作為我國主要的交通大動脈之一,車流量大,重車比例高,目前已運行近20年,京滬高速90年代開工建設(shè),建設(shè)標準為雙向四車道高速公路,橋梁設(shè)計荷載為汽車-超20級,掛車-120,屬于較早期建設(shè)的高速公路。在定期檢查中,京滬高速(江蘇段)部分組合箱梁橋梁體出現(xiàn)不同程度的受力裂縫,且發(fā)展迅速。其中,新沂河大橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m跨徑先簡支后連續(xù)的部分預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁,全橋共計12聯(lián)72孔,均為6孔一聯(lián),跨徑組成為12×(6×30)m,箱梁梁高1.5 m,上鋪5 cm厚30號防水混凝土調(diào)平層和9 cm瀝青混凝土橋面鋪裝。下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩、肋板式臺和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。典型斷面見圖1、圖2。
圖1 新沂河大橋典型橫斷面布置(cm)
圖2 邊梁和中梁尺寸(cm)
在橋梁定期檢查中發(fā)現(xiàn)本橋組合箱梁存在大量的腹板豎向裂縫、腹板斜向裂縫和底板橫向裂縫,且裂縫發(fā)展迅速,部分梁體兩側(cè)腹板和底板裂縫聯(lián)通形成U型裂縫,全橋各類典型受力裂縫變化情況見圖3。
圖3 新沂河橋加固前典型裂縫發(fā)展(條)
表1 加固前全橋裂縫數(shù)量發(fā)展變化統(tǒng)計(條)
根據(jù)表1和圖4可知:箱梁腹板裂縫于2008年出現(xiàn),后續(xù)迅速增長;底板橫向裂縫2009年出現(xiàn),至2010年,略有增長,從2011年開始迅速增多;腹板斜向裂縫2008年開始出現(xiàn),至2011年每年均有少量增加,從2011年開始增幅也迅速提高。由此可知,全橋各類典型受力裂縫橋從2011年開始均大量增加,裂縫迅速發(fā)展。
圖4 第九聯(lián)中間跨2011年典型裂縫分布
橋裂縫的主要分布特點:(1)橋各聯(lián)均為6孔一聯(lián),各聯(lián)邊跨(1#、6#孔)裂縫數(shù)量很少,次邊跨、中跨(2#~5#孔)均有大量裂縫。(2) 腹板豎向裂縫:左、右幅箱梁腹板均存在大量豎向裂縫,縫寬一般為0.10~0.15 mm,主要分布在L/4跨至L3/4范圍,測得縫深為50.4 mm,右幅京滬方向多于左幅滬京方向。(3)腹板斜裂縫:左、右幅箱梁腹板有少量斜向45°裂縫,裂縫深度測試為16~78.6 mm。主要分布于L/4跨至跨中,右幅京滬方向多于左幅滬京方向。(4)底板橫向裂縫:右幅京滬向箱梁底板有大量橫向裂縫,主要分布于跨中附近,間距約20~40 cm,裂縫寬度均較小,一般在0.1 mm以下。左幅滬京方向箱梁也發(fā)現(xiàn)少量橫向裂縫。
(1)標準規(guī)范。由于京滬高速組合箱梁橋設(shè)計時采用的荷載標準為汽-超20、掛-120,較目前最新的《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中的公路-I級荷載標準要低,箱梁的承載力和應(yīng)力儲備少,不滿足現(xiàn)行的規(guī)范要求,在目前實際車輛荷載作用下,箱梁會產(chǎn)生底板橫向裂縫和腹板豎向裂縫的病害。(2)運營荷載。根據(jù)《基于WIM和SHM的新沂河大橋車輛荷載模型報告》,綜合考慮在線監(jiān)測系統(tǒng)與動態(tài)稱重系統(tǒng)實測結(jié)果及車輛荷載的沖擊系數(shù)、動態(tài)稱重系統(tǒng)的誤差(根據(jù)標定結(jié)果按最大10%計算)等因素,新沂河大橋位處右幅實際車輛荷載為公路-I級JTG D60-2004的1.24倍,在超載的作用下,箱梁抗裂承能力不足,產(chǎn)生裂縫病害。(3)溫度效應(yīng)。組合箱梁頂板位置通過濕接縫連接成為整體,因此整體升溫對組合箱梁存在空間扭曲的影響,表現(xiàn)在整體升溫作用下,各跨的邊梁和中梁的荷載效應(yīng)相反:邊梁跨中存在0.4 MPa左右的拉應(yīng)力,而中梁跨中存在0.4 MPa左右的拉應(yīng)力。溫度梯度作用對組合箱梁的應(yīng)力影響較大,在規(guī)范規(guī)定的溫度梯度荷載作用下,箱梁跨中拉應(yīng)力達到2.54 MPa,考慮到溫度荷載沿橫橋向的梯度效應(yīng)后,箱梁跨中拉應(yīng)力值也有2.15 MPa,而成橋階段箱梁跨中壓應(yīng)力儲備僅在10 MPa左右,溫度梯度效應(yīng)對箱梁的安全使用影響較大。(4)預(yù)應(yīng)力施工。由于組合箱梁橋設(shè)計時按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件進行設(shè)計,基本控制跨中拉應(yīng)力不大于規(guī)范規(guī)定值,若鋼束存在張拉不到位的情況(即預(yù)應(yīng)力損失過大),則有可能引起跨中的開裂病害。(5)支座安裝??紤]施工引起的支座安裝誤差,會對梁體腹板和底板帶來一定的附加應(yīng)力,降低了梁體的壓應(yīng)力儲備。(6)施工工藝。通過對組合箱梁臨時支座的拆除順序的模擬計算,當(dāng)臨時支座拆除順序不合理的時候,對箱梁應(yīng)力會有一定程度的影響。(7)箱梁尺寸影響。箱梁尺寸對箱梁剛度影響非常大,若考慮箱梁施工誤差引起的尺寸減小,在成橋階段箱梁跨中撓度較標準尺寸的橋跨增大45%~50%??缰蟹垂爸档脑龃笾苯佑绊憳蛎婊炷龄佈b層的厚度,對于組合箱梁橋的安全使用存在不利的隱患??紤]施工誤差影響減小尺寸的箱梁的裂縫發(fā)展比標準箱梁更快,但其承載力與標準箱梁相差不大,主要是因為底板和腹板鋼筋在即將破壞時承擔(dān)了主要的拉應(yīng)力,因此,在頂板尺寸不變的情況下,兩種箱梁極限承載能力差別并不太大。
箱梁腹板在受力中主要起到抗剪的作用,箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫,說明是箱梁的抗剪能力不足以承擔(dān)其所真正承受的荷載。根據(jù)現(xiàn)場實際檢測結(jié)果看,腹板斜裂縫僅在部分橋跨的部分梁上產(chǎn)生,數(shù)量較少,因此該斜裂縫產(chǎn)生的原因一方面是由于超載車輛的局部作用產(chǎn)生的,另一方面可能是該片箱梁在預(yù)制的時候,腹板的施工質(zhì)量沒有很好的控制造成的。
新沂河大橋組合箱梁裂縫主要是由于箱梁的壓應(yīng)力儲備小,抗裂能力不足,在實際運行荷載下,梁體產(chǎn)生開裂并迅速發(fā)展。因此,分別于2013年、2014年對病害嚴重的部分聯(lián)跨采用體外預(yù)應(yīng)力進行了加固,加固方案見表2。
表2 新沂河大橋加固方案
根據(jù)對京滬高速實際通行荷載監(jiān)測結(jié)果,對上部結(jié)構(gòu)加固采用荷載標準為實際運營荷載,即1.24倍公路-I級。
根據(jù)實測運營荷載下結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果,邊跨箱梁抗彎承載能力有所不足,約10%,邊跨箱梁應(yīng)力水平基本能夠滿足規(guī)范限值,而次邊跨和中跨箱梁的抗彎承載能力相差較大,約30%,梁體拉應(yīng)力水平超過規(guī)范限值較多。因此,體外束配置采用長、短鋼束相結(jié)合的形式,即兩邊跨各配短束、中間四跨配通長束。
加固方案:(1)第1、6 跨邊梁采用2束4Фs15.2鋼絞線,第2~5 跨邊梁采用2 束6Фs15.2鋼絞線,錨下張拉控制應(yīng)力為0.63fpk=1 171.8 MPa。(2)第1、6跨中梁采用2束4Фs15.2鋼絞線,第2~5跨中梁采用2束5Фs15.2鋼絞線,錨下張拉控制應(yīng)力為0.63fpk=1 171.8 MPa。見圖5~圖7。
圖5 邊跨(第1、6 跨)體外預(yù)應(yīng)力加固
圖6 次邊跨(第2、5 跨)體外預(yù)應(yīng)力加固
圖7 中間跨(第3、4 跨)體外預(yù)應(yīng)力加固
新沂河大橋第九聯(lián)分別于2013年6月加固前和2013年11月加固后進行了靜載試驗,加固后靜力特性提高顯著,且邊跨加固效果優(yōu)于中跨。試驗主要結(jié)論:(1)邊跨加固后撓度實測值普遍比加固前撓度實測值減小30%左右,第三跨(中跨)加固后撓度實測值普遍比加固前撓度實測值減小10%左右。(2)邊跨加固前最大撓度為20.98 mm,加固后最大撓度為14.18 mm,邊跨最大撓度變化率為32.4%;中跨加固前最大撓度為15.86 mm,加固后最大撓度為12.43 mm,中跨最大撓度變化率為21.6%;加固后應(yīng)變實測值普遍較加固前減小約20%,其中邊跨加固后減小幅度普遍優(yōu)于中跨。(3)邊跨和中跨最大應(yīng)變值均由550左右減小為300左右,減小幅度接近50%。(4)外觀檢查、汽車荷載試驗以及相關(guān)分析計算表明:加固后靜載撓度有較大幅度的減小,原先裂縫區(qū)域的應(yīng)變值也大幅度減小。說明加固后,新沂河大橋裂縫得到了有效控制,其承載力能夠滿足加固設(shè)計汽車荷載等級要求。見圖8、圖9。
圖8 第九聯(lián)第1跨跨中撓度對比
圖9 第九聯(lián)第3跨跨中撓度對比
在2013年加固后,對新沂河大橋每年進行定期檢查,同時2017年進行了專項檢查,病害最嚴重的右幅第九聯(lián)檢測結(jié)果:
(1)外觀檢查。本聯(lián)2013年進行加固,加固前典型受力裂縫從2008—2013年迅速增長,2013年對原有裂縫封閉處理并采用體外預(yù)應(yīng)力加固。加固后,腹板豎縫、斜縫及底板橫縫均未再有新增出現(xiàn),說明體外預(yù)應(yīng)力加固對限制裂縫的發(fā)展起到了很好的效果,見圖10。
圖10 第九聯(lián)典型受力裂縫數(shù)量發(fā)展變化(條)
(2)模態(tài)測試結(jié)果。新沂河大橋2013年加固前后,先后于2013年6月和2013年11月對右幅第九聯(lián)進行了環(huán)境振動試驗,通過對結(jié)構(gòu)振動頻率比對,檢驗橋梁加固效果,2017年再次對右幅第9聯(lián)的基頻進行測試,結(jié)果見表3??芍乱屎哟髽蛴曳诰怕?lián)加固前實測基頻2.87 Hz,加固后提高到3.418 Hz,說明體外預(yù)應(yīng)力加固提高了結(jié)構(gòu)的剛度,四年后(2017年10月)結(jié)構(gòu)的實測基頻3.37,頻率略有減小,減小約1.4%,說明結(jié)構(gòu)基頻基本無明顯變化,加固效果良好。
表3 新沂河大橋右幅第9聯(lián)加固前后實測動力特性對比
通過檢測數(shù)據(jù)可知,組合箱梁通過體外預(yù)應(yīng)力加固之后,能夠很好的限制裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展,經(jīng)過多年的運營,預(yù)應(yīng)力鋼束錨固性能穩(wěn)定,能夠為梁體持續(xù)穩(wěn)定地提供相應(yīng)的預(yù)加應(yīng)力,梁體狀況目前良好,說明已達到預(yù)期的加固效果。
體外預(yù)應(yīng)力加固適于橋梁結(jié)構(gòu)病害發(fā)展迅速,結(jié)構(gòu)有較大安全隱患時采用,對于病害發(fā)展緩慢的橋梁,可以采用粘貼鋼板、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固等方式。新沂河大橋加固前病害發(fā)展迅速,對高速公路的安全運營帶來很大的安全隱患,通過采用體外預(yù)應(yīng)力加固,對其加固后的效果采用荷載試驗,并歷經(jīng)數(shù)年使用后的跟蹤檢測結(jié)果表明,體外預(yù)應(yīng)力加固可以很好的限制組合箱梁裂縫發(fā)展,為橋梁安全運營提供保障。