某預應力混凝土連續箱梁橋損傷評估與加固維修探討

楊曉燕

(中鐵大橋局武漢橋梁科學研究院有限公司,湖北 武漢 430034)

1 某加固維修橋梁概況及病害描述

(1)某(65+126+65)m的預應力混凝土連續箱梁橋,設計荷載汽-超 20級,由于超載、預應力損失、收縮徐變等因素的影響,在運營 11年后,箱梁橋面下撓嚴重,中跨下撓37cm。

(2)橋梁的腹板在邊跨和中跨的 L/4～3L/4處均出現大量斜裂縫,在為期 80 d對中跨箱梁內22條裂縫的觀測表明,有 12條長度變化量為 0.2～4.0cm,所有裂縫寬度變化量為■ =0.01～0.04mm。

2 損傷狀態評估

根據該橋病害普查及荷載試驗的結果,參照預應力混凝土連續箱梁的病害特點,分析了幾種主要類型的損傷對結構應力和位移產生的影響,并就此作了相應的計算分析。

2.1 預應力損失的影響

由于豎向預應力筋較短,很小的錨固變形就會使張拉控制應力明顯減小,而施工環境、工作空間小等因素使得大多數橋梁中豎向預應力損失嚴重,設計一般考慮 0.6倍的效應,結構損傷評估在原設計 0.6倍效應的基礎上分別折減50% 、100%進行評估。

箱梁內縱向預應力鋼束長時間持荷受力,并受到混凝土收縮徐變等的影響,有效預應力會進一步損失,普查發現頂底板有較多的橫橋向裂縫,且中跨跨中下撓較嚴重,參照一般做法,分別按折減 10%、20%計算其影響。

2.2 徐變效應

混凝土收縮徐變是橋梁持續下撓的重要原因,其效應與結構的內力狀態密切相關。對于一般的公路橋梁,徐變是根據恒載內力狀態計算,不考慮活載的影響。本橋車流量大,任何時候橋面上都有一定的車輛,因此將該部分活載換算均布荷載用于計算徐變。

結合本橋的實際病害特征,計算徐變時還考慮了 2003年橋面鋪裝和縱向預應力折減20%的影響。

2.3 剛度折減影響

對于斜裂縫開展區域(兩側邊跨 L/4～L/2及中跨 L/4～3L/4范圍),考慮剪切剛度折減 30%、60%;對于頂底板裂縫區域(中跨 L/4～3L/4范圍),考慮彎曲剛度折減 10%、20%,計算剛度折減對位移的影響。

2.4 汽車超載

原橋設計荷載為 6車道汽-超 20,設計車流量為 6萬輛/日。經統計,本橋目前實際通行車輛為 14萬輛/日,且在夜間有大量重車通過,存在嚴重的超載情況。由于實際流量比設計流量大 2倍以上,評估時單幅計算車道數由 2.52提高到 3.15。

2.5 綜合損傷評估

本橋實際的橋梁損傷狀態是多種單項損傷組合而成,為便于分析,定義兩種損傷組合模型。

(1)低度損傷:豎向預應力折減 50%(在原設計 0.6倍效應的基礎上進行折減),縱向預應力折減 10%,剪切剛度折減 30%,彎曲剛度折減 10%,徐變已發生,汽車超載。

(2)高度損傷:豎向預應力折減 100%,縱向預應力折減20%,剪切剛度折減 60%,彎曲剛度折減 20%,徐變已發生,汽車超載。

2.6 計算分析結論

通過對單項損傷和組合損傷進行計算分析發現,對梁體應力影響較大的因素包括預應力損失、收縮徐變、汽車超載三個方面。其中豎向預應力損失對主梁的上、下緣應力影響較小,縱向預應力的影響較大。縱向預應力折減 20%,對主梁上緣的應力影響最大為 2.8MPa,對下緣的應力影響最大為 4MPa;收縮徐變(包括二恒改鋪)的效應使得主梁應力變化最大為 3.4MPa;汽車超載使得主梁上緣應力最大增加0.6MPa。

對中跨下撓影響較大的因素包括縱向預應力損失和收縮徐變,其中縱向預應力損失 10%使得中跨跨中下撓約 55mm;收縮徐變(包含二恒改鋪)使中跨跨中下撓約 50mm。箱梁內部裂縫檢查表明底板橫向裂縫主要集中在中跨的L/4～3L/4范圍內,兩側 65m邊跨底板基本沒有裂縫,因此只考慮在中跨 L/4～3L/4范圍內進行彎曲剛度折減,彎曲剛度折減 20%導致主跨跨中下撓接近 9mm。剪切剛度的折減只在斜裂縫區域(兩側邊跨 L/4～L/2及中跨 L/4～3L/4范圍),剪切剛度折減 60%使得中跨跨中下撓約 8mm。

在該橋結構無損傷時,汽車超載產生的拉應力小于規范限值。橋梁結構產生低度損傷后,拉應力小于規范限值;產生高度損傷后,該橋在荷載組合(考慮超載)作用下正拉應力、主拉應力都超過了規范規定的材料限值。結構計算的主拉應力數值較大的區域與現場普查的裂縫分布區域基本對應。由于裂縫的出現導致材料進入塑性階段,在多次加載反復作用下變形不斷積累,這是導致該橋中跨跨中撓度不斷增加的一個原因。本橋的實際損傷狀況更接近于假定的低度損傷。

3 加固方案

通過以上對橋梁損傷類型及程度的分析及橋梁病害的表現,設計的加固方案如下:

(1)邊跨、中跨腹板裂縫處粘貼碳纖維布、貼鋼板。

(2)126m中跨部分采用勁性骨架增強截面剛度改善繼續下撓的現狀。

(3)邊跨每箱室內布置 4束、中跨每箱室內布置 8束12～ 15.24mm環氧涂層填充型鋼絞線,跨中底板粘貼 3層碳纖維布進行補強。

4 加固效果分析

(1)體外束是本橋加固的主要手段,其主要目的是通過預應力改變恒載內力狀態,并減少一部分跨中下撓。

(2)鋼桁架的主要作用是增加結構的剛度和承載力,承擔一部分活載作用,減小活載產生的位移和應力。

(3)碳纖維貼在裂縫分布區,提高混凝土板的抗裂性能和耐久性。

4.1 加固后結構的安全性分析

對該橋加固后進行全橋空間結構有限元分析計算,計算內容如下:

(1)體外預應力鋼束對梁體效應;

(2)體外預應力鋼束和縱向桁架共同作用對梁體加固效應;

(3)體外預應力鋼束和活載共同作用下梁體效應;

(4)施加了體外預應力、安裝縱向桁架后的加固梁體在活載作用下的效應;

(5)體外預應力作用下轉向架內力及基座的承載力驗算;

(6)腹板內側加固鋼桁架對斜截面抗剪強度的影響。

結構安全性分析分別計算了梁體在張拉體外預應力束、安裝縱向桁架、施加活載各階段結構各構件的應力水平和位移狀況。縱向桁架和轉向架各桿件的受力、基座植筋滿足規范要求。

體外預應力在一定程度上改善了頂板及跨中底板的應力狀況,并可在較小程度上調整主梁線形;鋼桁架對抗彎承載力的加固效果不佳,對結構整體受力和變形改善不明顯。但考慮到縱橋向勁性鋼桁架主要作用是補充腹板抗剪剛度,增強腹板抗剪能力,保證結構橫截面受力更合理,雖然對結構抗彎剛度提高不大,但它是保證結構整體性能,抑止下撓等病害繼續發展的重要措施。

4.2 加固后線形

該橋維修后進行了為期2年的橋面變形監測,監測時間分為白天和夜間,大氣溫度經歷了最高溫度(7月)和最低溫度(1月),監測結果表明隨著橋體溫度上升,中跨跨中撓度呈減小趨勢;隨著橋體溫度下降,中跨跨中撓度呈增大趨勢,變化量分別為 15mm和 19mm,2年內跨中平均下撓 8.01mm。撓度增大趨勢仍然存在,但下撓速率減小了一半,裂縫未發現有進一步發展。

5 結 論

(1)通過本文對預應力混凝土連續箱梁橋的損傷評估分析可以看出,造成本橋病害的主要因素是預應力損失、收縮徐變、汽車超載等。

(2)本橋的損傷評估采用了豎向預應力折減 50%(在原設計 0.6倍效應的基礎上進行折減)、縱向預應力折減 10%、剪切剛度折減 30%、彎曲剛度折減 10%、徐變已發生、汽車超載的低度損傷模型,與實際損傷吻合。

(3)本橋采用的體外束、鋼桁架、貼鋼板和碳纖維的加固方法達到了預期的效果。

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