某預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁橋病害檢查與處治

陳 思 鵬

（江蘇寧滬高速公路股份有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著交通物流的快速發(fā)展，高速公路T 梁橋結(jié)構(gòu)性能退化趨勢(shì)越來(lái)越明顯[1]，為了保證T 梁橋運(yùn)營(yíng)的安全性與結(jié)構(gòu)的耐久性，有必要對(duì)高速公路T梁橋進(jìn)行定期檢查，檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的病害需準(zhǔn)確分析病害原因，制定相應(yīng)的治理措施[2]。本文以江蘇省南京市寧滬高速公路上一座預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，探討該類橋型典型病害的檢查、分析與處治措施。

1 工程概況

該橋是一座預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T 梁橋，具有先簡(jiǎn)支后連接梁結(jié)構(gòu)連續(xù)的特點(diǎn)，跨度為7 m×20 m，橋面寬度為13.5 m，橫向6 片T 梁橋，結(jié)構(gòu)連續(xù)T 梁為20 m，其中心梁高為1.2 m，跨中梁肋厚度為20 cm，梁端梁肋厚度為40 cm。邊梁梁寬為2.15 m，中梁梁寬為1.8 m，現(xiàn)澆濕接縫寬為0.4 m，橋面板厚度為10 cm，跨中及梁端各設(shè)置1 道橫隔板，寬為20 cm[3-4]。T 梁橋底板布置4 根Φ22 mm 縱向通長(zhǎng)鋼筋，邊梁頂板布置16 根Φ16 mm 縱向通長(zhǎng)鋼筋、中梁頂板布置14 根Φ16 mm 縱向通長(zhǎng)鋼筋；箍筋采用Φ10 mm 鋼筋，箍筋布置間距在跨中10 m 范圍內(nèi)為20 cm，在梁端5 m 范圍內(nèi)為10 cm。現(xiàn)澆橋面板墩頂位置縱向鋼筋共需135 根Φ25 mm 間距為10 cm 鋼筋。墩頂現(xiàn)澆連續(xù)段布置普通鋼筋，頂板采用Φ16 mm 鋼筋與梁體預(yù)留鋼筋焊接，在底板及梁肋位置，采用了直徑為25 mm 的鋼筋，與梁體預(yù)留的底板鋼筋及梁肋加強(qiáng)鋼筋進(jìn)行了焊接，中梁腹板布置2 束7Φj15.2 cm 鋼絞線，邊梁腹板布置1 束7Φj15.2 cm與1 束7Φj15.2 cm 鋼絞線。T 梁橋具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 道路T 梁橋測(cè)點(diǎn)示意圖

2 病害梁體檢查

定期檢查中發(fā)現(xiàn)該T 梁橋存在裂縫滲水析白病害，裂縫分布在T 梁橋的跨度的1/4 處，以腹板垂直縫隙和底板水平縫隙為主，一些腹部垂直縫隙和底板水平縫隙連接在一起[5-6]，從而形成L 形和U 形縫隙，最大縫隙寬度為0.25 mm。病害情況見(jiàn)圖2。

圖2 病害情況圖

根據(jù)病害情況，2 片梁存在嚴(yán)重的安全隱患，T梁橋管養(yǎng)單位應(yīng)立刻啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)措施，通過(guò)增設(shè)臨時(shí)支撐確保T 梁橋結(jié)構(gòu)安全，并立即開(kāi)展對(duì)該橋的特殊檢查，通過(guò)在病害梁體位置處進(jìn)行開(kāi)窗檢查，發(fā)現(xiàn)2 片梁預(yù)應(yīng)力管道注漿不密實(shí)，且2 片梁均存在鋼絞線銹蝕斷絲情況，斷絲情況分別為20絲與19 絲。鋼絞線斷絲示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 鋼絞線斷絲示意圖

為了驗(yàn)證波紋管內(nèi)部是否存在與外界連通的問(wèn)題，進(jìn)行了氣密性試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，將波紋管加壓至0.5 MPa，并觀察其壓力變化情況。結(jié)果顯示，在17 s 內(nèi)，壓力下降至0.35 MPa，這表明波紋管與外部通道相連。通過(guò)氣密性試驗(yàn)可以得出：波紋管存在的外部通道可能會(huì)導(dǎo)致病蟲(chóng)害的侵入并進(jìn)一步引起裂縫的產(chǎn)生。采用聲波檢測(cè)技術(shù)，能夠更準(zhǔn)確地確定波紋管中的裂縫位置和程度，從而采取相應(yīng)的修復(fù)措施。

應(yīng)用聲波檢測(cè)方法檢查道路T 梁橋病害梁體，內(nèi)部檢查步驟如下。

1）聲波檢測(cè)需要使用聲波檢測(cè)儀器，安裝進(jìn)入到混凝土、鋼筋等材料中的傳感器，傳感器經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和檢驗(yàn)后進(jìn)行測(cè)試使用。

2）按照檢測(cè)要求設(shè)定測(cè)試參數(shù)，如采樣、采集頻率、測(cè)試深度、接收位置等。

3）通過(guò)清理表面上的雜質(zhì)，保證聲波在傳播過(guò)程中不會(huì)受到干擾。

4）運(yùn)行設(shè)備，開(kāi)始進(jìn)行聲波檢測(cè)。從待測(cè)試的位置開(kāi)始，傳感器發(fā)出聲波，通過(guò)測(cè)量聲波的反射頻率等參數(shù)判斷材料內(nèi)部是否存在缺陷病害。

5）收集聲波檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和分析，以確定是否存在潛在的病害或缺陷。

6）通過(guò)聲波檢測(cè)結(jié)果分析和報(bào)告制作，對(duì)檢測(cè)到的缺陷和病害進(jìn)行評(píng)估和判斷，以便采取相應(yīng)的維修和加固措施。

通過(guò)一端進(jìn)氣，另一端出氣的通氣試驗(yàn)探明波紋管注漿不密實(shí)范圍，試驗(yàn)結(jié)果表明，其中一片梁的一根管道中存在波紋管注漿不密實(shí)的空洞現(xiàn)象，其余幾處波紋管注漿不密實(shí)主要發(fā)生在起彎段至墩頂。

3 計(jì)算分析

3.1 原設(shè)計(jì)驗(yàn)算

采用SIMULIA 有限元軟件建立7 m×20 m 有限元模型，對(duì)該橋原設(shè)計(jì)荷載作用下的承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)的受力特征進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果。通過(guò)SIMULIA 有限元軟件計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 應(yīng)力結(jié)構(gòu)圖（m）

橋主梁抗彎承載能力結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 橋主梁抗彎承載能力

由表1 可知，該橋主梁抗彎承載能力基本滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求，且邊跨與邊跨的邊梁最大效應(yīng)/最大抗力的值為0.99，中梁最大效應(yīng)/最大抗力的值為0.95，梁體抗彎承載能力富余量較小。本橋上部結(jié)構(gòu)抗剪承載能力滿足規(guī)范要求，本橋跨中撓度值為L(zhǎng)/700 cm，其中，L為橫跨橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，700 為單位長(zhǎng)度內(nèi)的撓度值，剛度滿足要求。邊梁荷載組合作用的拉應(yīng)力最大值結(jié)果見(jiàn)表2。其中I 作用、II 作用和III 作用指的是不同的荷載組合情況。

表2 邊梁荷載組合作用的拉應(yīng)力最大值結(jié)果

中梁荷載組合作用的拉應(yīng)力最大值結(jié)果見(jiàn)表3。邊梁荷載組合作用的主拉應(yīng)力最大值結(jié)果見(jiàn)表4。中梁荷載組合作用的主拉應(yīng)力最大值結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 邊梁荷載組合作用的主拉應(yīng)力最大值結(jié)果

表5 中梁荷載組合作用的主拉應(yīng)力最大值結(jié)果

由表2～表5 可知，在III 作用下，邊梁拉應(yīng)力最大值、中梁的拉應(yīng)力最大值、邊梁的主拉應(yīng)力最大值及中梁的主拉應(yīng)力最大值均不滿足A 類構(gòu)件要求，需要進(jìn)一步加固或改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)確保其滿足相關(guān)的構(gòu)件要求，使拉應(yīng)力最大值、主拉應(yīng)力最大值在I 作用、II 作用下均滿足A 類構(gòu)件要求。

3.2 推算分析

鋼束斷絲位置距梁端2.42 m，跨中漿體基本密實(shí)，按照驟然放松預(yù)應(yīng)力鋼筋施工工藝計(jì)算鋼絞線失效段：先張法計(jì)算鋼絞線傳遞長(zhǎng)度為ltr=60×140/1 000=8.4 m，則失效段長(zhǎng)度為0.25ltr=0.25×8.4=2.1 m。鋼絞線斷裂后有效段距梁端約4.5 m，接近四分點(diǎn)位置。根據(jù)開(kāi)窗檢查結(jié)果，目前斷絲20 根，約3根鋼絞線失效，按照中跨中梁鋼束失效3 根計(jì)算，在荷載組合作用下中跨四分點(diǎn)位置拉應(yīng)力達(dá)到2.56 MPa，此時(shí)四分點(diǎn)處應(yīng)力水平仍滿足A 類構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)，且在組合Ⅲ作用下四分點(diǎn)應(yīng)力低于跨中應(yīng)力。按照中跨中梁鋼束失效4 根計(jì)算，在荷載組合作用下中跨四分點(diǎn)位置拉應(yīng)力達(dá)到3.46 MPa，且此時(shí)四分點(diǎn)應(yīng)力已超過(guò)跨中應(yīng)力，接近B 類構(gòu)件名義拉應(yīng)力水平。計(jì)算結(jié)果表明上述推算分析下四分點(diǎn)位置會(huì)先于跨中位置開(kāi)裂，與現(xiàn)場(chǎng)病害表象大致吻合。

3.3 病害原因

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果與計(jì)算分析該橋病害主要原因：①孔道注漿不密實(shí)，存在與外界空氣、水的交換通道，外部空氣、水等共同作用導(dǎo)致鋼絞線銹蝕；②鋼束起彎點(diǎn)附近為潮差區(qū)，該部位鋼絞線銹蝕最為嚴(yán)重，在一定水平的交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂，造成預(yù)應(yīng)力損失；③T 梁橋設(shè)計(jì)年代久遠(yuǎn)，長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失及運(yùn)營(yíng)荷載持續(xù)增加，加劇了T 梁橋病害的發(fā)展。

4 實(shí)例分析

4.1 加固方法

1）由于該橋預(yù)應(yīng)力管道空洞，為避免鋼絞線繼續(xù)惡化，對(duì)該橋預(yù)應(yīng)力管道重新補(bǔ)灌漿，補(bǔ)灌漿材料通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比選用了粘鋼膠。其主要優(yōu)勢(shì)為流動(dòng)性非常好，可以完全填充材料間隙，在不加壓的情況下，能均勻包裹原材料。

2）鑒于目前預(yù)應(yīng)力損失無(wú)法精確定量的情況下，以結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)為主，提升結(jié)構(gòu)承載能力，提高預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備。采用增大截面+體外預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行加固。增大截面補(bǔ)充梁底受拉鋼筋恢復(fù)梁體截面強(qiáng)度，同時(shí)增設(shè)2 束7Φj15.2 cm 體外預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償梁體預(yù)應(yīng)力損失。馬蹄兩側(cè)及底板各增大10 cm 厚，梁底主筋采用C25 鋼筋，共布置10 根。預(yù)應(yīng)力采用2 束15Φj4 cm 鋼絞線，馬蹄兩側(cè)各布置1 束，張拉控制應(yīng)力為0.4Ryb=744 MPa。

4.2 加固工藝

1）放樣：由于原設(shè)計(jì)鋼筋與鋼絞線影響，在植筋前需用鋼筋探測(cè)儀探測(cè)T 梁橋分布鋼筋和鋼絞線的位置，并在T 梁橋相應(yīng)位置處注明；按照?qǐng)D紙要求的位置及尺寸對(duì)鋼筋進(jìn)行放樣，如與原結(jié)構(gòu)鋼筋和鋼絞線沖突，可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，標(biāo)明具體位置。

2）鉆孔及清孔：為了增大齒輪與增大截面接觸的面積，按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谙鄳?yīng)位置采用沖擊鉆鉆孔，鉆孔后采用高壓空氣進(jìn)行吹孔，清除孔洞內(nèi)殘余的浮塵，清理時(shí)注意應(yīng)從內(nèi)向外清理，避免清理不干凈。

3）鑿毛接觸面混凝土，種植鋼筋，焊接、綁扎鋼筋，形成鋼筋骨架。

4）澆筑混凝土：根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)形狀，采用木模進(jìn)行立模，然后澆筑混凝土，邊澆筑邊振搗，確保新澆筑混凝土密實(shí)，避免局部空洞與蜂窩麻面等問(wèn)題。

5）增大截面及新增齒板養(yǎng)生：混凝土澆筑完成后按照規(guī)范要求進(jìn)行養(yǎng)生，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后方可進(jìn)行張拉。

6）體外預(yù)應(yīng)力施工：體外預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，張拉時(shí)采用逐級(jí)張拉，每次張拉限值應(yīng)不超過(guò)設(shè)計(jì)張拉值的30%。每級(jí)張拉完成后，及時(shí)檢查錨固點(diǎn)與轉(zhuǎn)向塊的受力情況。

4.3 加固效果

本文在需要加固的部位進(jìn)行局部鋼筋加固，然后在加固位置刷環(huán)氧樹(shù)脂膠液。在膠液未凝固前，粘貼預(yù)應(yīng)力復(fù)合材料，然后施加預(yù)應(yīng)力，調(diào)節(jié)合理的預(yù)應(yīng)力值，通過(guò)固定端、中點(diǎn)等位置不同的預(yù)應(yīng)力值設(shè)計(jì)出合理的預(yù)應(yīng)力布置方案，并在設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力后制作出預(yù)應(yīng)力復(fù)合材料，待預(yù)應(yīng)力下降至設(shè)計(jì)值時(shí)進(jìn)行錨固，由此完成加固。

需要在保證T 梁橋安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，盡可能地增加T 梁橋的承載能力和耐久性，依據(jù)T 梁橋的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)法律法規(guī)制定加固方案和加固目標(biāo)。需考慮兩種實(shí)例工況計(jì)算加固效果。

工況一（考慮鋼絞線失效4 根鋼束）加固后中跨中梁及邊跨中梁承載能力均滿足相關(guān)要求，且中跨中梁承載能力比原設(shè)計(jì)提高78%，邊跨中梁承載能力比原設(shè)計(jì)提高81%。加固后加固孔的應(yīng)力滿足A 類構(gòu)件要求。加固后加固孔兩側(cè)墩頂負(fù)彎矩及拉應(yīng)力效應(yīng)增大，負(fù)彎矩最大增加17%，拉應(yīng)力增加0.08 MPa～0.17 MPa，均滿足規(guī)范要求；加固后相鄰孔跨中正彎矩及拉應(yīng)力效應(yīng)減小，正彎矩約減小47 kN·m，拉應(yīng)力減小0.21 MPa～0.4 MPa。

工況二（考慮鋼絞線全部失效）中跨中梁及邊跨中梁承載能力均滿足要求，且中跨中梁承載能力比原設(shè)計(jì)提高22.4%，邊跨中梁承載能力比原設(shè)計(jì)提高21.5%。加固后加固孔的應(yīng)力滿足B 類構(gòu)件要求。加固后加固孔兩側(cè)墩頂負(fù)彎矩及拉應(yīng)力效應(yīng)增大，負(fù)彎矩最大增加20%，拉應(yīng)力增加0.99 MPa～1.29 MPa，但均滿足規(guī)范要求；加固后相鄰孔跨中正彎矩及拉應(yīng)力效應(yīng)減小，正彎矩約減小62 kN·m，拉應(yīng)力減小0.41 MPa～0.67 MPa。

5 在線監(jiān)測(cè)

為評(píng)估體外預(yù)應(yīng)力+增大截面加固方式的加固效果，建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)主要指標(biāo)為裂縫寬度監(jiān)測(cè)、動(dòng)位移監(jiān)測(cè)。根據(jù)圖5～圖6 可知，加固前梁體跨中動(dòng)位移分布在0～2.5 mm 區(qū)間內(nèi)，加固后5#梁實(shí)測(cè)動(dòng)位移分布在0～0.5 mm 區(qū)間內(nèi)，振動(dòng)幅度顯著減弱，證明加固措施起到了增加梁體剛度的效果。使用測(cè)量工具測(cè)量裂縫寬度并記錄，在不同的位置測(cè)量多次，取平均值作為裂縫寬度，同時(shí)需記錄測(cè)量位置的具體信息；在進(jìn)行加固后，使用同樣工具對(duì)裂縫寬度進(jìn)行測(cè)量，將加固前后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)估加固效果。在操作過(guò)程中需要注意的是，可以使用影像測(cè)量等技術(shù)，將數(shù)值化數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和處理，從而減少誤差，提高數(shù)據(jù)的可靠性。

圖5 加固前梁體動(dòng)位移

圖6 加固后梁體動(dòng)位移

根據(jù)圖7 可知，裂縫受溫度及荷載作用下的寬度變化量遠(yuǎn)小于加固前的縫寬變化量，表明了加固措施的有效性。

圖7 裂縫寬度變化

6 結(jié)語(yǔ)

1）T 梁橋管養(yǎng)單位在日常管養(yǎng)與檢查過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)典型病害的檢查，深入探究病害原因。

2）對(duì)于后張法構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力管道注漿不密實(shí)是較為隱蔽的病害，條件允許時(shí)應(yīng)進(jìn)行抽查。

3）增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力+增大截面的加固方式可以有效解決T 梁橋預(yù)應(yīng)力損失引起的梁體開(kāi)裂問(wèn)題。

4）該橋?qū)τ诓『Φ膽?yīng)急響應(yīng)、病害原因查找及后續(xù)處置手段可為解決同類問(wèn)題提供參考。