淺談大跨連續(xù)剛構橋加固工程中體外預應力的應用
2015-08-26
隨著我國大噸位預應力體系的生產和發(fā)展以及結構計算手段的改進,連續(xù)剛構橋在工程領域得以廣泛應用。近20多年來，國內修建了不少連續(xù)剛構橋。然而由于各種原因，部分連續(xù)剛構橋出現(xiàn)預應力損失過大、跨中下?lián)线^大、主梁混凝土普遍開裂等病害。由于體外預應力加固技術是一種主動加固補強法，對主梁結構主動施加有效預應力，從而提高結構承載能力、改善結構受力狀態(tài)、適當恢復結構線形，阻止跨中繼續(xù)下?lián)?、部分裂縫閉合等優(yōu)點，同時，體外預應力加固技術具有施工方便、運營干擾小、結構損傷小、快速高效、易于檢測和更換等特點，被認為是預應力混凝土連續(xù)剛構橋的主要加固方法。本文通過一工程實例來闡明這種加固方法,并對其加固效果進行分析。
1 某連續(xù)剛構橋體外預應力加固設計
1）工程概況
某橋建成于2006年，主橋橋跨結構布置為140m+240m+140m的預應力混凝土連續(xù)剛構橋(見圖1);箱梁為三向預應力混凝土結構，采用單箱單室，橋面寬22m，根部及0號塊梁高為13.5m，箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高為4.0m;設計荷載:汽車-超20級，掛車-120，人群-3.5kN/m2。
橋梁結構現(xiàn)狀病害，跨中下?lián)喜⒊掷m(xù)增加，2008年橋面標高比竣工橋面標高低31.7cm，；箱梁腹板大范圍內縱向開裂，且無規(guī)律；跨中合攏段箱梁底板混凝土開裂、崩裂，頂板縱向裂縫較多，兩邊跨端部箱梁頂板裂縫較多，端橫隔板裂縫較多。
2）體外預應力加固設計
為準確檢算結構的承載能力，進行體外預應力加固設計，現(xiàn)以撓度、應力擬合法建立實橋結構現(xiàn)狀相符的結構損傷模型，并采用橫向活載增大系數將箱梁橋空間問題簡化成平面問題進行計算。因此利用橋梁結構專業(yè)軟件建立全橋結構有限元模型。根據2008年的橋面標高比竣工標高低32cm進行撓度、應力擬合法進行試算，當中跨底板縱向有效預應力折減20%時，預應力損失導致跨中下?lián)?1.5cm；收縮徐變導致跨中下?lián)?7.9cm;溫差導致躊中下?lián)?.83cm，其下?lián)峡偭?1.23cm與32cm接近。當豎向預應力計入30%時，箱梁的最大主拉應力為3.07mpa，超時混凝土的抗拉設計強度值2.45mpa,即混凝土開裂。因此，中跨底板縱向預應力損失20%，堅向預應力計入30%的結構損傷模型與橋梁結構現(xiàn)狀相符。橋梁結松承載能力檢算結果。
基于以上結構的承載能力檢算進行體外預應力加固設計，其加固設計方案主中跨增設體外預應力束，分別錨固于0號塊橫隔板邊跨側，共增設12根Φj15.2～19的體外預應力束，通過四個轉向板分三批進行下彎，下彎角度分別為9.1°、7.6°、5.7°；箱梁腹板、頂板粘貼鋼板進行加固。
2 體外預應力技術加固效果評價
1）加固效果的理論評價
檢算加固前后連續(xù)剛構橋的應力、撓度、承載能力是評價體外預應力加固連續(xù)剛構橋的重要指標。
以下主要從應力、撓度、承載能力三方面的理論計算結果對連續(xù)剛構橋體外預應力加固效果進行分析評價，現(xiàn)將控制截面的計算結果。
由表2可知，加固后主梁結構受力得到顯著的改善，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
?、倏箯澇休d能力最大提高4.9%，全橋受力情況得到改善，且中跨懸臂端、1/8中跨截面的承載能力分別提高3.7%,4.6%;
?、谥髁褐锌缰骼瓚︼@著降低，特別是跨中降低了1.91MPa，且最大主拉應力截面由3.07MPa降到2.65MPa。
?、奂庸毯笾锌缥灰凭煌潭鹊奶岣?，跨中最大上撓值為2.01cm。
2）加固效果的實測評價
由于張拉體外預應力束前，發(fā)現(xiàn)跨中合攏段上游側底板下緣存在混凝土崩裂、波紋管及鋼筋外露等嚴重病害。為慎重起見，暫停了大橋體外預應力的張拉工作，為消除新增荷載對大橋產生的不利影響，先張拉了T3,T4體外預應力束。通過對張拉體外預應力束T3,T4的監(jiān)測結果進行分析評價，得出張拉T3,T4體外預應力束后，主梁結構變形、控制截面的混凝土應力或應變變化正常，未出現(xiàn)明顯偏離設計預期值。最后根據張拉T3,T4的監(jiān)測結果和該橋的特殊檢測報告，張拉余下體外預應力束。
由施工監(jiān)控的實測應變、撓度、裂縫等監(jiān)測結果進行加固效果評價，體外預應力技術加固連續(xù)剛構橋能顯著的改善結構的受力，主要體現(xiàn)在以下方面:
?、購埨w外預應力過程中，主梁變形、控制截面混凝土應力正常，變化規(guī)律和數值與理論分析結果基本一致，達到加固設計的目的。
?、谥锌缰髁航Y構線形均有不同程度的上撓，且跨中最大上撓20mm與基本理論值相符;
③主梁底、頂板混凝土壓應力或應變均有不同程度的提高，其中跨中底板混凝土應力最大增加了2.25MPa，頂板混凝土應力最大增加了0.66MPa，跨中截面下緣的壓應力儲備提高;
④在體外預應力束張拉過程中，跨中底板橫向裂縫有不同程度的閉合，縱向裂縫有輕微增加，無混凝土塊塌落。
3 結論
體外預應力技術加固連續(xù)剛構是一種有效的主動加固方法，且加固效率高，效果顯著。通過理論、實測結果表明連續(xù)剛構橋采用體外預應力技術加固能適當恢復結構線形，阻止跨中繼續(xù)下?lián)?增加主梁的壓力儲備，降低主拉應力;部分裂縫閉合及阻止裂縫繼續(xù)擴展與混凝土開裂等。將體外預應力技術用于連續(xù)剛構橋的加固,采用現(xiàn)有施工手段即可實現(xiàn),加固方法易于被工程所接受,為今后連續(xù)剛構橋的補強及承載潛力的提高提供了較好的途徑。因此，采用體外預應力加固連續(xù)剛構橋是改善結構受力的行之有效方法。為同類橋梁加固設計工程積累經驗。
