橋梁施工應(yīng)力監(jiān)測分析與維修加固技術(shù)研究

李方甫

(遼寧大通公路工程有限公司 沈陽市 110179)

0 引言

當(dāng)前社會經(jīng)濟以及城市化水平的快速發(fā)展，使得政府及有關(guān)部門越來越重視對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)問題，其中橋梁建設(shè)項目是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中一項十分重要的環(huán)節(jié)，承擔(dān)著交通運輸安全性的重要責(zé)任。但由于交通運輸行業(yè)的快速發(fā)展，橋梁施工項目不斷增加，同時對于其施工過程中的質(zhì)量問題有著更高的要求[1]?，F(xiàn)有部分橋梁設(shè)施建設(shè)施工時間過早，在其長期使用的過程中，部分橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前的交通車流量，因此對于駕駛?cè)藛T而言嚴(yán)重威脅其生命與財產(chǎn)安全。目前，遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司公路養(yǎng)護技術(shù)研發(fā)中心對于老舊的橋梁管理問題進行了深入的研究，并同時對正在建設(shè)過程中的橋梁進行施工時的應(yīng)力監(jiān)測研究。傳統(tǒng)橋梁施工維修加固中存在的問題主要包括：橋梁斜接緊密度不夠、破碎修復(fù)不及時、橋孔通水不流暢，嚴(yán)重影響橋梁的使用壽命[2]。當(dāng)前橋梁建設(shè)按其橫截面類型可劃分為等截面橋梁和變截面橋梁兩種，通常情況下第一種橋梁的跨徑范圍在35～55m，第二種橋梁的跨徑范圍在75～105m。在進行橋梁施工過程中，為了有效保證施工的安全以及施工后橋梁的安全運行，在橋梁施工建設(shè)過程中，需要對其應(yīng)力變化進行監(jiān)測和分析[3]。因此，當(dāng)前橋梁施工應(yīng)力監(jiān)測已經(jīng)成為保障橋梁順利完成施工的重要手段。對此，基于橋梁施工的安全需要以及橋梁在日后運行過程中常出現(xiàn)的問題，開展橋梁施工應(yīng)力監(jiān)測分析與維修加固技術(shù)研究。

1 橋梁施工應(yīng)力監(jiān)測分析

1.1 主梁線形結(jié)構(gòu)各參數(shù)測量

在進行主梁線形結(jié)構(gòu)各個參數(shù)測量時，主要涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：主梁跨度、軸線、主梁頂面高程、主梁立模標(biāo)高以及主梁兩側(cè)對稱截面相對高差等。在橋梁施工過程中，在每節(jié)懸臂端梁頂結(jié)構(gòu)上設(shè)置3～5個標(biāo)高觀測點，以及一個輔助監(jiān)測的軸線點[4]。每個測點均利用短鋼筋結(jié)構(gòu)或鋼板結(jié)構(gòu)進行預(yù)埋，為保證觀測點位置清晰，用紅色油漆筆在各個觀測點上進行編號。標(biāo)高的測量可利用傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀器進行，根據(jù)橋梁施工不同階段的次序，在每一階段中，按照多種不同的工況類型，對橋梁主體結(jié)構(gòu)在受力過程中不均勻溫度的變化情況進行測量，并且對垂直軸線方向的線位移以及橋梁的板殼面的線位移情況進行測量，測量結(jié)果還要進行相互校驗。

采用全站儀以及鋼尺等工具，測量主梁軸線結(jié)構(gòu)，結(jié)合測小角法測量其前端偏差位移[5]。待視準(zhǔn)后，將主梁軸線后視點引入到過渡墩結(jié)構(gòu)上，再利用遠點控制方法測量距離較近的點。在測量主梁頂面結(jié)構(gòu)高程參數(shù)時，在同一界面上的多個觀測點，必須按照橫坡取其平均數(shù)值，從而得到主梁頂面結(jié)構(gòu)的高程參數(shù)數(shù)據(jù)[6]。同時，在實際測量過程中，不同的工況條件下，觀測到的主梁擾度變化值會出現(xiàn)較大差異，因此，針對這一問題，可通過對比給定的立模標(biāo)高與主梁頂面結(jié)構(gòu)的高程數(shù)值，驗證施工的實際質(zhì)量。對于主梁立模結(jié)構(gòu)標(biāo)高的測量還可通過精密水準(zhǔn)測量儀獲取，在測量過程中應(yīng)當(dāng)避開溫差較大的時段[7]。由交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司公路養(yǎng)護技術(shù)研發(fā)中心立模到位。在完成相應(yīng)的測量后，還需要有關(guān)部門的監(jiān)督人員，對橋梁施工的各個階段立模標(biāo)高進行反復(fù)的測量，并定期或不定期對其進行抽查。

1.2 橋梁橫截面應(yīng)力橫向分布判斷

在確定主梁線形結(jié)構(gòu)各參數(shù)數(shù)值后，在對其進行應(yīng)力監(jiān)測時，由于橋梁的剪力傳遞通常是不均勻的，因此，導(dǎo)致彎矩引起的位移，在橋梁遠腹板結(jié)構(gòu)位置上的應(yīng)力傳遞，明顯滯后于近腹板位置的應(yīng)力傳遞，而控制橫截面的實測應(yīng)力，與橋梁橫截面的應(yīng)力變化存在一定的規(guī)律[8]。因此，通過對橋梁橫截面應(yīng)力橫向分布判斷，實現(xiàn)對橋梁施工應(yīng)力監(jiān)測。采用剪力滯效應(yīng)理論，對橋梁橫截面剪力滯系數(shù)進行計算，公式為：

(1)

圖1 橋梁橫截面剪力滯效應(yīng)非均勻應(yīng)力分布圖

出現(xiàn)圖1所示的應(yīng)力分布時，有效寬度分布可用等效板寬表示。當(dāng)橋梁單元桿模擬橋梁結(jié)構(gòu)時，通過有效寬度系數(shù)，可對其內(nèi)力進行計算，同時利用調(diào)整后的橫截面特性，完成對應(yīng)力大小的監(jiān)測。

1.3 基于灰色預(yù)測理論的橋梁施工應(yīng)力變化預(yù)測

為更加及時地獲取橋梁施工階段的應(yīng)力變化，基于灰色預(yù)測理論，預(yù)測橋梁施工的應(yīng)力變化。通過灰色序列算子，處理并運算施工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析挖掘，進而得出相關(guān)的規(guī)律[9]。灰色預(yù)測理論的核心內(nèi)容是灰色序列生成，通過橋梁施工過程中的既有數(shù)據(jù)，找出橋梁應(yīng)力變化規(guī)律。在灰序列生成的過程中，為了避免在對應(yīng)力變化進行預(yù)測時，受到?jīng)_擊的干擾，利用序列算子對數(shù)據(jù)空穴進行補充，從而弱化應(yīng)力變化的隨機性[10]。在實際應(yīng)用過程中，預(yù)測模型并不是唯一的，應(yīng)當(dāng)根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，選擇適合的預(yù)測模型。其具體流程為：首先確定實際測量時獲取的橋梁施工應(yīng)力序列；其次利用光滑比判斷其是否滿足GM模型的各項需求；若不滿足則變換數(shù)據(jù)或替代其他模型，若滿足則利用序列算子對數(shù)據(jù)進行處理；確定模型中的各項參數(shù)；求解出相應(yīng)的模擬數(shù)值；對應(yīng)力變化預(yù)測結(jié)果的誤差進行校驗。

2 橋梁施工維修加固技術(shù)研究

2.1 橋梁上層結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造

當(dāng)前大部分橋梁建設(shè)年代相對久遠，并且當(dāng)時的修建技術(shù)不夠完善，橋梁整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前交通運輸?shù)男枰虼嗽趯蛄菏┕ぞS修加固時，首先要對橋梁上層整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改造[11]。當(dāng)前隨著運輸車輛的數(shù)量不斷增加，原有橋梁上層結(jié)構(gòu)需要進行拼寬處理才能防止車輛在運輸過程中在橋梁上出現(xiàn)擁堵的問題。在拼寬過程中需要注意橋梁整體的承載量要限制在整個橋梁安全承載力范圍內(nèi)[12]。其次，還可通過將原始橋梁上層結(jié)構(gòu)中的橋臺改為拱式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對上層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。但拱式結(jié)構(gòu)承載力相對較小，因此不適用于交通流量大的地區(qū)，對于交通流量小的地區(qū)，采用拱式結(jié)構(gòu)可以有效提高橋梁整體的穩(wěn)定性。對于跨度較小的橋梁，若其原始結(jié)構(gòu)為拱式結(jié)構(gòu)，并且拱圈的厚度無法滿足運輸量的要求，或出現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻沉降現(xiàn)象，則可通過將拱式結(jié)構(gòu)改為板式結(jié)構(gòu)的方法解決這一問題。

2.2 原始橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加固

對于年代較為久遠的原始橋梁，其跨徑相對較小，經(jīng)常會受到洪水或河流改道沖擊造成嚴(yán)重的侵蝕，因此在對其進行維修和加固時，可采用在橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上滿鋪片石混凝土的方法，對整個橋梁結(jié)構(gòu)進行加固[13]。除此之外，橋梁在長時間使用的過程中，會受到車輛的壓力以及雨水的侵蝕，使得橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)大量裂縫結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致橋梁鋪裝層完全脫離的問題。因此，針對這一問題，要根據(jù)橋梁的具體情況，采用橋梁表層鋪裝層加固的方法，加強橋梁表面結(jié)構(gòu)的平整性，防止其內(nèi)部混凝土材料受到嚴(yán)重的腐蝕。

對于原始橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的加固還可利用表面處理法、注漿法、充填法實現(xiàn)。其中，表面處理法是針對橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)細小的裂縫，利用填涂材料增強橋梁整體的防水能力，對于裂縫產(chǎn)生的過程中伴隨著寬度的變化可適當(dāng)采用伸縮性的填涂材料[14]。注漿法是向橋梁產(chǎn)生的裂縫中注入樹脂材料，通常情況下可選用環(huán)氧樹脂材料進行注漿，注漿過程中應(yīng)當(dāng)采用低壓低速的注漿方式。充填法更適用于對寬度較寬的裂縫進行修補，沿裂縫周圍鑿出一條深槽，在槽內(nèi)將各類黏結(jié)材料嵌入。

2.3 主橋箱梁外側(cè)增設(shè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)

除上述兩種方法外，還可通過向主橋箱梁外側(cè)增設(shè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的方法對橋梁進行維修和加固處理。在主橋箱梁內(nèi)部設(shè)置15道體外預(yù)應(yīng)力索，其中7道為邊跨與中跨通長索，另外8道為中跨索。將15道體外預(yù)應(yīng)力索的加固張力控制為0.55fpk，對附著在頂板的轉(zhuǎn)向塊進行混凝土澆筑，為保證在澆筑的過程中新增混凝土澆筑密實，可在新增混凝土與橋梁頂板結(jié)構(gòu)的接觸面上添加下料孔以及排氣孔，同時在鉆孔的過程中應(yīng)當(dāng)避免與原始橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力鋼筋接觸[15]?；炷翝仓戤吅?，需要加強養(yǎng)生，保證濕養(yǎng)時間不少于10 d，新增的混凝土養(yǎng)護齡期應(yīng)超過20 d，并且在混凝土強度達到預(yù)設(shè)時的98.5%時，才可對預(yù)應(yīng)力鋼束進行張拉。

3 結(jié)束語

當(dāng)前橋梁建設(shè)項目正在蓬勃發(fā)展，對于其施工過程中的應(yīng)力監(jiān)測而言，仍然具有更加廣闊的研究空間，有關(guān)施工過程中的應(yīng)力監(jiān)測分析內(nèi)容還可更加深入。僅對應(yīng)力監(jiān)測中的一部分進行研究與分析，通過研究發(fā)現(xiàn)仍存在某些方面的不足，例如，未考慮實際施工時周圍環(huán)境的影響因素等，因此，在后續(xù)研究中，還需針對這一方面的問題進行更加深入的研究。