預應力連續(xù)箱梁特殊檢查與施工監(jiān)控研究

高 辰

(安徽省高速公路試驗檢測科研中心有限公司,安徽 合肥 230601)

0 引言

混凝土連續(xù)箱梁橋在運營多年后,會出現(xiàn)多種病害,嚴重影響了橋梁運營安全。為保證橋梁安全營運和盡可能延長其安全使用年限[1],對發(fā)現(xiàn)問題的橋梁進行特殊檢查,對橋的整體及其組成部分進行檢測、分析。同時,依據檢測結果,對橋梁進行加固,并進行施工監(jiān)控。本文結合預應力混凝土連續(xù)箱梁的工程背景,通過橋梁特殊檢查,確定病害成因,制定橋梁加固方案。通過對施工過程監(jiān)控以及加固后橋梁線形、動剛度數(shù)據分析,以驗證加固方案的加固效果。

1 工程概況

某高速公路預應力混凝土連續(xù)箱梁橋長110 m,跨徑布置為30 m+2×40 m。上部結構采用預應力混凝土單箱單室連續(xù)箱梁,采用支架現(xiàn)澆施工工藝。橋面寬度全寬16 m,箱梁底寬度為8.15 m,梁高2.4 m,跨中處截面頂板厚度為0.3 m,底板厚度為0.3 m,腹板厚度為0.5 m。本橋各鋼束只設置豎彎,三跨箱梁的頂板束設置8束;三跨箱梁底板束設置10束;三跨箱腹板板束設置10束。

在檢查中發(fā)現(xiàn)第3跨箱梁底板出現(xiàn)多道橫向裂縫,隨即開展橋梁特殊檢查。

2 特殊檢查內容及結果

2.1 外觀檢查內容及結果

本次橋梁外觀檢查共發(fā)現(xiàn)病害198處。第3跨病害數(shù)目較多,占比達56%。結合箱梁內外病害位置,發(fā)現(xiàn)第3跨3條由底板延伸至兩側側板的U型全截面貫穿裂縫(L2,最大裂縫寬0.33 mm;L4,最大裂縫寬0.53 mm;L6,最大裂縫寬0.31 mm),3條底板橫向裂縫(L1,裂縫長度2.1 m,最大裂縫寬0.35 mm;L3,裂縫長度1.6 m,最大裂縫寬0.20 mm;L5,裂縫長度2.8 m,最大裂縫寬0.50 mm)。

選取存在滲水且全截面貫穿裂縫L2,L4,L6進行底板取芯。取芯結果表明,3處裂縫均貫穿底板。根據相關規(guī)范的單項控制指標[2],第1-3跨(一聯(lián))標度評定為5。

2.2 實體檢查內容及結果

底板及腹板尺寸檢查。針對病害較為嚴重的第3跨,對該跨的底板和腹板進行厚度測量。底板尺寸偏差超允許偏差,整體厚度偏薄。

2.3 預應力系統(tǒng)檢查內容及結果

預應力系統(tǒng)檢查一直是橋梁檢測工作中的難點,本次檢測選取損傷相對較小的檢測方式進行檢測。

1)預應力管道內部缺陷檢測。采用地質透視儀進行預應力孔道定位,超聲成像掃描儀檢查預應力孔道內部缺陷。檢測發(fā)現(xiàn)右腹板鋼束W3c和W4c之間不密實,且鋼束W3c大部分灌漿不密實,并進行充氣驗證。

2)預應力鋼束外觀檢查。采用內窺鏡對孔道內部進行檢查,鋼束W3c內部鋼絞線局部位置處存在點狀銹跡,預應力管道內壁也出現(xiàn)銹蝕。鋼束W4c鋼絞線存在銹蝕現(xiàn)象,預應力管道內壁銹蝕嚴重。

3)預應力連接器檢查。通過內窺鏡檢查鋼束W3c連接器(見圖1),可發(fā)現(xiàn)該位置灌漿不密實,此處鋼絞線有19根,存在2根鋼絞線與連接器脫落。鋼束W4c連接器位置灌漿也不密實,連接器表面明顯銹蝕。

2.4 橋梁動剛度檢查內容及結果

在橋梁各跨的L/4,L/2,3L/4點分別布設豎向速度傳感器,以測試橋梁固有頻率、振型和阻尼比。1階頻率2.930 Hz、理論值2.965 Hz;2階頻率4.736 Hz、理論值4.320 Hz;3階頻率6.738 Hz、理論值6.311 Hz;根據相關規(guī)范[3]可知,本橋第1階豎向基頻略小于理論值,第2階,3階豎向基頻與理論計算結果相當,其對應的標度分別為3,2,2,表明橋梁剛度存在一定衰減。

3 施工控制

3.1 加固方案

鑒于本橋的主要病害為第3跨下?lián)稀⒌装錟型貫通裂縫以及預應力損失等,采用體外預應力加固能較大幅度提高原來截面的抗彎承載能力。

在第3跨箱室內布置4根16φs15.2短束(TW1-1/2,TW2-1/2);在箱室外側腹板單側上下布置4根16φs15.2長束(TW3-1/2,TW4-1/2),鋼束標準強度為fpk=1 860 MPa,箱室內外均是雙側對稱布置。具體如圖2所示。

3.2 監(jiān)控內容

1)主梁線形。線形測點布置在第3跨4分點位置處,共計5個測點。在體外預應力張拉過程中及張拉后的4個月內進行線形測量,張拉后的4個月內測量分為7次,分別是張拉后第3天1次、第7天1次、第15天1次、第1個月1次、第2個月1次、第3個月1次、第4個月1次。

2)主梁應力。在第3跨中及大、小里程間隔50 cm位置處布設三個測試斷面,當測試斷面有橫向裂縫時,應對測試斷面進行適當調整,降低裂縫對應力測試的影響。

3)主梁裂縫寬度。選擇U型貫穿裂縫L4,L6進行寬度監(jiān)測,檢測張拉完成后裂縫閉合情況。

4)主梁動剛度。加固完成后在各跨的L/4,L/2,3L/4點分別布設豎向速度傳感器,以測試橋梁固有頻率、振型和阻尼比。

4 結果與分析

1)線形監(jiān)控結果分析。以錨固塊、轉向塊安裝完畢,體外預應力束開始張拉之前為結構變形的起點至TW4鋼束張拉完成后,對橋梁線形進行測試。加固完成后對主梁線形測點的數(shù)據進行整理分析后,得出施工階段和加固完成后的第3跨各測點撓度實測值,并與有限元軟件計算得出的撓度理論值進行比較分析﹐結果見表1。

表1 主梁線形監(jiān)測及計算結果對比表

由上述可知,體外預應力張拉過程中及張拉后的監(jiān)測過程中第3跨整體上抬。在體外預應力加固階段[4],在張拉TW1體外預應力鋼束后,跨中已出現(xiàn)上抬,上抬了2.6 mm;張拉至TW2后,跨中繼續(xù)上抬,上抬值為4.7 mm,直至全部預應力鋼束張拉完成,跨中累計上抬10.3 mm。同時與圖3,圖4健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據對比可知,張拉過程中健康監(jiān)測數(shù)據與實際測量數(shù)據基本一致。考慮檢測過程環(huán)境的影響,本次檢測橋梁上抬值與設計相符。

由表1,圖3,圖4可知,在施工過程結束后的跟蹤觀測過程中,各測點撓度均有所變化,考慮到檢測過程環(huán)境的影響,基本與設計值相符,同時健康監(jiān)測系統(tǒng)第3跨跨中上抬數(shù)據與實際測量數(shù)據基本一致。

綜上所述,實測值與理論值變化趨勢及變化值有較好的吻合,跨中最大上抬值為12.3 mm,由此可見,加固后橋面線形得到了較好的改善[5]。

2)應力結果分析。以錨固塊、轉向塊安裝完畢,體外預應力束開始張拉之前為結構應力的起點至TW4鋼束張拉完成,對橋梁應力進行測試,加固完成后對應力測點的數(shù)據進行整理分析后,得出施工階段第3跨各測點應力實測值,并與有限元軟件計算得出的應力理論值進行比較分析﹐結果如表2所示。

由表2可知,在體外預應力加固施工階段,各個施工階段的控制截面應力實測值和有限元模擬計算值變化規(guī)律一致,箱梁基本處于全截面受壓狀態(tài)[6]。

在整個張拉過程中梁底壓應力增大,應力理論值與實測值的最大誤差為0.87 MPa,實測結果與理論值變化趨勢及變化值均吻合較好,各面基本處于全截面受壓狀態(tài),由此可見,該橋加固后,在一定程度上提高了壓應力儲備。說明該橋施工對應力控制效果良好。

3)裂縫寬度結果分析。除裂縫寬度監(jiān)控位置外,其他裂縫在體外預應力加固前已進行修補。加固完成后L4裂縫寬度閉合0.08 mm,L6裂縫寬度閉合0.03 mm。

4)加固后橋梁動剛度結構。橋梁加固后,1階頻率3.104 Hz、2階頻率4.824 Hz、3階頻率6.785 Hz。根據相關規(guī)范可知,本橋加固后第1,2,3階豎向基頻與理論計算結果相當,其對應的標度分別為2,1,2,通過對加固前后橋梁動剛度對比可知,加固后橋梁動剛度有一定提升。

5 結語

依托于某預應力混凝土連續(xù)箱梁病害特殊檢查及體外預應力加固項目,對橋梁特殊檢查及加固過程施工監(jiān)控進行研究,取得以下結論:

1)通過對橋梁特殊檢查,全橋評為5類。針對預應力系統(tǒng)檢查,發(fā)現(xiàn)預應力孔道存在局部不密實現(xiàn)象,部分預應力鋼筋未受力。由此可知,原橋主梁病害主要是由預應力損失所致。

2)橋梁撓度監(jiān)控表明在體外預應力張拉各個階段撓度增量正常,撓度增量基本大于理論計算值,與健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據相符;后期的跟蹤觀測過程中,撓度變化較小,與健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據相符。說明施工效果達到預期設計效果。

3)在體外預應力TW1,TW2,TW3,TW4張拉過程中,橋梁控制截面的混凝土應力變化正常,全截面受壓,實測值和理論值的整體編號趨勢基本一致,最大偏差在合理范圍內,有效保證了結構處于安全狀態(tài)[7]。

4)加固完成后,橋梁動剛度較加固前有所提升。