淺談大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋病害成因及加固技術(shù)

摘 ?要：近年來，我國高速公路的建設(shè)不僅促進(jìn)了地區(qū)經(jīng)濟(jì)的增長，也為人們的出行提供了很大的便利。然而高速公路施工工期長、涉及環(huán)節(jié)多，具有一定的復(fù)雜性。基于此，本文結(jié)合某具體工程，對大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋病害成因及其加固技術(shù)進(jìn)行研究與分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：大跨度;連續(xù)剛構(gòu)橋;病害;成因;加固技術(shù)

中圖分類號：U445.71 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：2096-6903（2021）03-0000-00

1 工程概述

某高速公路連續(xù)剛構(gòu)橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其總長為332m，該連續(xù)剛構(gòu)橋的左右線采用分幅設(shè)置的方式，每幅都采用了單箱單室直腹板箱型截面。該連續(xù)剛構(gòu)橋的相關(guān)結(jié)構(gòu)及參數(shù)如表1所示：

該連續(xù)剛構(gòu)橋在投入使用七年之后，其橋面出現(xiàn)了一定程度的下?lián)希瑫r還發(fā)現(xiàn)在其剛構(gòu)中跨跨中區(qū)域的梁體底板與腹板出現(xiàn)了不同程度的開裂，經(jīng)過全面的檢查與確認(rèn)，中跨跨中底板的橫向裂縫寬度大致在0.15mm至0.3m的范圍之內(nèi)，其中部分突出的裂縫甚至達(dá)到了0.5mm，而腹板裂縫的最大縫寬為0.45mm。經(jīng)過確認(rèn)，該高速公路連續(xù)剛構(gòu)橋的中跨跨中最大撓度約在20cm左右。待兩年后再次對其進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)左幅橋一側(cè)的墩頂箱室出現(xiàn)多條橫向裂縫，其最大縫寬達(dá)到了0.8mm，而其他墩頂箱室均出現(xiàn)了一定程度的裂縫，既有橫向裂縫，也有縱向裂縫，但裂縫的寬度相對較短。在這些裂縫中，已存在部分裂縫向著頂板或者腹板進(jìn)行延伸的情況，經(jīng)確認(rèn)該橋跨中撓度較之之前又有所增加，增加幅度在3cm至5cm左右。針對這一情況，急需弄清連續(xù)剛構(gòu)橋的病害原因，并據(jù)此采取針對性的加固措施。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋的病害成因

經(jīng)過實際勘察與討論，同時借鑒了國內(nèi)外相關(guān)資料，確定該高速公路連續(xù)剛構(gòu)橋出現(xiàn)病害的原因主要包含以下幾方面：

（1）該橋的位置特殊，是附近大型貨運車輛進(jìn)城、出城的主要通道，且該路段車流量較大，達(dá)到了日行駛10萬輛次，且有些貨車存在著超載的情況，進(jìn)而對連續(xù)剛構(gòu)橋造成不良的影響;（2）該連續(xù)剛構(gòu)橋豎向預(yù)應(yīng)力損失較大，主拉應(yīng)力超限，導(dǎo)致了混凝土腹板裂縫的產(chǎn)生;（3）在施工階段，存在有徐變變形的情況，且同時伴有縱向預(yù)應(yīng)力損失較大的情況，經(jīng)過研究與討論，導(dǎo)致這一問題的主要原因是節(jié)段懸澆的作業(yè)工期相對較短，這致使結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力降低，最終導(dǎo)致了跨中下?lián)弦约案拱彘_裂的病害。

針對上述幾個方面的原因，提出了加固思路：該高速公路連續(xù)剛構(gòu)橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，在施工時采用懸臂現(xiàn)澆的方式開展作業(yè)，該橋的主要受力部位為中墩墩頂主梁負(fù)彎矩區(qū)，因此基于上述病害的表現(xiàn)與原因，加固的重心應(yīng)該放在體外預(yù)應(yīng)力鋼束的施加上，通過這種方法可以對全橋的縱向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行有效恢復(fù)。除此之外，對于裂縫相對嚴(yán)重的部位可采取粘貼鋼板等補(bǔ)強(qiáng)措施，以此來對裂縫的進(jìn)一步發(fā)展做出有效限制，進(jìn)而有效提升箱梁結(jié)構(gòu)的承載能力。

3 連續(xù)剛構(gòu)橋的加固設(shè)計策略

3.1 包絡(luò)設(shè)計

該高速公路連續(xù)剛構(gòu)橋的病害相對嚴(yán)重，無法對其真實狀態(tài)做出準(zhǔn)確地檢測。因此為了解決這一問題，提出了三種狀態(tài)：（1）該橋的全部縱向預(yù)應(yīng)力筋處于設(shè)計狀態(tài);（2）參照類似項目的設(shè)計經(jīng)驗，考慮全橋縱向預(yù)應(yīng)力損失10%至15%的范圍;（3）中跨跨中底板預(yù)盈虧鋼束應(yīng)力損失50%，其余縱向預(yù)應(yīng)力損失5%。

3.2 加固技術(shù)分析

（1）體外預(yù)應(yīng)力加固法。通過體外預(yù)應(yīng)力的施加，會促使箱梁斷面混凝土的壓應(yīng)力儲備得到一定程度的增加，這樣一來，一方面會抑制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，另一方面也可以對結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行有效的提高。具體加固措施如下：一共設(shè)置26束體外束，在這26束體外束中，通長束、中跨束以及每側(cè)的中支點短束數(shù)量分別為4束、6束、8束，所有體外束均采用兩端張拉的方式予以開展。體外預(yù)應(yīng)力鋼束采用環(huán)氧涂層鋼絞線，并在其之上添加了PE護(hù)套。對于鋼絞線而言，其抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa，對于預(yù)應(yīng)力筋，則是采用分級拉張的形式開展作業(yè)，同時需要注意對每級張拉力進(jìn)行一定程度的控制，要求其不得超過總張拉力的四分之一。在對體外預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行轉(zhuǎn)向時，需要借助轉(zhuǎn)向器，而錨固則主要通過錨固塊予以實現(xiàn)。需要說明的是，車輛通行有可能造成鋼束振動過大的情況，為了避免這一現(xiàn)象，在原先設(shè)置的基礎(chǔ)上還需要進(jìn)一步沿著體外索設(shè)置好防振限位裝置，同時注意對防振限位裝置之間的距離做好控制，一般情況下控制在8m左右較為適宜[1]。除此之外，為了確保能夠與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效且便捷的連接，需要注意合理選擇錨固與轉(zhuǎn)向裝置，應(yīng)以混凝土結(jié)構(gòu)裝置為主，同時應(yīng)該對其進(jìn)行植筋處理，使其與原梁體結(jié)構(gòu)有效連接。然而該連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力筋張拉力相對較大，因此在錨固區(qū)域會產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力。針對這一情況，為了保證結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，還需要做好如下幾個方面的細(xì)節(jié)處理：首先，在體外索中存在4束通長束錨固在梁端的橫隔板處，在后箱梁內(nèi)側(cè)進(jìn)行植筋操作，以此確保體外預(yù)應(yīng)力傳遞的可靠性，并澆筑自密實混凝土;其次，針對頂板錨塊位置局部應(yīng)力相對較大的情況，為了防止錨后區(qū)混凝土發(fā)生一定程度的開裂，采取將錨后2.5m范圍之內(nèi)的頂板、腹板局部加厚的措施;最后，對于中支點短束錨固位置，其受力的復(fù)雜程度較高，針對這種情況為了對錨固的可靠性進(jìn)行有效增加，可以在錨固處另外增設(shè)橫隔板，橫隔板的厚度在1m左右較為適宜，這樣一來就可以對頂板的局部應(yīng)力進(jìn)行減少。（2）增大截面加固法。這一加固方法主要是通過加固構(gòu)件截面與配筋的形式來實現(xiàn)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性的增強(qiáng)，當(dāng)構(gòu)件剛度與強(qiáng)度得到增強(qiáng)之后，出現(xiàn)開裂的可能性將大大降低。由于設(shè)置了體外預(yù)應(yīng)力鋼束，剛構(gòu)雙薄壁墩和承臺的受力有所增加，這樣一來，原來結(jié)構(gòu)的配筋則無法適用。針對這種情況，便可以運用增大面積加固法對中墩墩頂、墩底以及承臺頂面進(jìn)行有效的加固。（3）粘貼鋼板加固法。對于鋼筋混凝土的薄弱部位，可以采取粘結(jié)劑對鋼板進(jìn)行粘貼或者灌注，這樣做的目的是可以使其與原結(jié)構(gòu)一起共同受力，進(jìn)而對其剛度進(jìn)行有效的增加，促使鋼筋與混凝土的應(yīng)力發(fā)生改變。這樣一來，已有裂縫的進(jìn)一步發(fā)展與延伸則會得到有效遏制，實現(xiàn)了橋梁承載能力加強(qiáng)的效果[2]。

4 加固設(shè)計計算結(jié)果分析

對于該連續(xù)剛構(gòu)橋的上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)，均采用平面桿系單元。綜合考慮到橋梁的實際情況，對原結(jié)構(gòu)中的相關(guān)系數(shù)做出了一定程度的調(diào)整。

4.1 初始狀態(tài)模擬分析

針對不同狀態(tài)做出了模擬分析與計算：跨中三個節(jié)段相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化時，計算出跨中下?lián)现?，并將計算出的值與實際下?lián)现颠M(jìn)行對比。當(dāng)抗彎剛度下降30%、預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到15%時，所計算出的跨中計算下?lián)现禐?01.5m，此數(shù)據(jù)與實際下?lián)现祷鞠喾?當(dāng)抗彎剛度下降30%、中跨跨中底板束損失50%，其余預(yù)應(yīng)力束損失達(dá)到了5%時，經(jīng)過計算得出下?lián)现禐?71.6mm，這一數(shù)據(jù)也與實際數(shù)據(jù)相對接近。根據(jù)這兩組下?lián)现档挠嬎銛?shù)據(jù)可以推斷：該高速公路聯(lián)系剛構(gòu)橋的實際受力狀態(tài)便是上文中論述的狀態(tài)二與狀態(tài)三的初始狀態(tài)[3]。

4.2 計算結(jié)果分析

三種狀態(tài)下體外預(yù)應(yīng)力鋼束的控制應(yīng)力見表2所示：

根據(jù)表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：在各個受力狀態(tài)最不利工況下的鋼束應(yīng)力值均在 ，而且其最大鋼束應(yīng)力幅僅僅為8.37MPa。由此可見，通過體外索張拉的方式，箱梁豎向下?lián)隙炔]有完全恢復(fù)，中跨跨中上拱的數(shù)值為58mm，與該橋已發(fā)生的跨中撓度存在著較大程度的差異。

4.3 加固效果分析

通過對相應(yīng)的加固技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用，梁體的撓度雖然沒有得到完全的恢復(fù)，但做出了一定程度的改善，主要體現(xiàn)在截面承載能力的增強(qiáng)，無論是極限狀態(tài)還是正常使用都得到了改善，能夠合理滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求。

4.4 施工監(jiān)控

針對連續(xù)剛構(gòu)橋而言，采用體外加固的方式具有一定的復(fù)雜性，其難度也相對較大。由于箱梁內(nèi)存在一定的缺陷與損傷，在這種情況之下其內(nèi)力和應(yīng)力都已經(jīng)發(fā)生了一定程度的改變，在這種情況之下難以精準(zhǔn)地把握相應(yīng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度。因此本文在設(shè)計過程中，將現(xiàn)有的檢測數(shù)據(jù)與原始設(shè)計資料進(jìn)行結(jié)合，并由此來對當(dāng)前狀況下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)做出一定程度的推測，而推斷的準(zhǔn)確性十分重要，它能夠直接影響到后續(xù)所采用加固措施的合理性與有效性。基于該點的考慮，在實際的加固施工過程中，需要采取科學(xué)、合理且有效的監(jiān)測措施，只有這樣才能對結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行保障。監(jiān)控所涉及的內(nèi)容較為廣泛，主要包含有主梁應(yīng)力監(jiān)控、錨固點與轉(zhuǎn)向點局部的應(yīng)力監(jiān)控、中墩墩頂與墩底的應(yīng)力監(jiān)控、張拉過程中的裂縫監(jiān)控、主梁撓度監(jiān)控、中墩墩頂位移監(jiān)控以及支點應(yīng)力監(jiān)控等。在實際操作之后，發(fā)現(xiàn)對各個流程進(jìn)行全面且有效的監(jiān)測與監(jiān)控之后，各個階段在加固過程中應(yīng)力與位移和設(shè)計中的計算結(jié)果基本保持一致，這也對設(shè)計計算結(jié)果的準(zhǔn)確性作出了有效的驗證[4]。

5 結(jié)語

本文結(jié)合某具體工程，對大跨度PC連續(xù)剛構(gòu)橋病害成因及其加固技術(shù)進(jìn)行研究與分析。首先對工程概況進(jìn)行了一定的介紹，提出了某高速公路連續(xù)鋼構(gòu)橋出現(xiàn)下?lián)吓c裂縫的病害問題，并在第二次檢查中病害有加重的趨勢。其次對連續(xù)剛構(gòu)橋病害的具體成因進(jìn)行了闡述，主要包含有車流量大造成荷載增加、豎向預(yù)應(yīng)力損失較大、結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度降低等。然后針對這些問題提出了相應(yīng)的加固設(shè)計，運用到了體外預(yù)應(yīng)力加固法、增大截面加固法與粘貼鋼板加固法。最后運用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行了分析，得出結(jié)論：在運用加固技術(shù)對橋梁進(jìn)行一定程度的加固后，雖未完全恢復(fù)梁體的撓度，但對于截面的承載能力而言，已經(jīng)得到了較為明顯的改善。此外，通過對加固前與加固后的荷載進(jìn)行對比分析可知：通過施加體外預(yù)應(yīng)力的方法，可以有效改善截面局部的受力狀態(tài)，且結(jié)構(gòu)的剛度得到了較大程度的提升。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2021-02-08

作者簡介：劉國強(qiáng)（1987—），男，四川宜賓人，本科，研究方向：橋梁設(shè)計。

Abstract： In recent years， China's highway construction not only promotes the growth of regional economy， but also provides great convenience for people's travel. However， the highway construction period is long and involves many links， which has certain complexity. Based on this， in this paper combined with a specific project， this paper studies and analyzes the causes of disease and reinforcement technology of long-span PC continuous rigid frame bridge， for reference.

Keywords： Long span; Continuous rigid frame bridge; Disease; Causes; Reinforcement technology