某大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的加固設(shè)計
2015-05-22 
   一、橋梁概況

   某連續(xù)剛構(gòu)橋建成于1997年,跨徑組成為140+240+140,橋梁凈寬21.5m;設(shè)計荷載:汽-超20級,掛-120、人群-3.5KN/m2;箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),采用單箱單室截面,頂板寬22m,底板寬11.5m。箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高4.0m,箱梁根部及0號梁段梁高13.5m。主墩采用雙薄壁墩身,群樁基礎(chǔ)。

    主橋箱梁頂板束采用φj15.24-25鋼絞線,設(shè)計張拉噸位4888KN,底板束和臨時束采用φj15.24-19鋼絞線,設(shè)計張拉噸位3715KN??v向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用兩端張拉方式。頂板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用φj15.24-4鋼絞線,逐根單端張拉,張拉端與錨固端以間距50cm交錯布置。豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直徑32mm的高強(qiáng)精軋螺紋鋼及相應(yīng)YGM型錨具和YGL型連接器。

   某大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的加固設(shè)計

   二、橋梁主要病害

   1、主跨跨中較設(shè)計值下?lián)狭窟_(dá)到31.7?,并仍然在持續(xù)發(fā)展。

   2、主跨跨中段箱梁底板底面裂縫橫向貫通底板,箱梁頂板底面縱向裂縫較多,上、下游腹板與底板交界處均發(fā)現(xiàn)3?寬縱向裂縫,80~160m范圍內(nèi)上、下游腹板斜裂縫共32條,裂縫寬度均超過規(guī)范允許值。

   3、箱梁根部及跨中段漏水較嚴(yán)重,跨中部分區(qū)域長期積水。

   4、兩邊跨端部箱梁頂板裂縫較多,端橫隔板裂縫較多。

   5、在整個主橋范圍內(nèi),發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)頂板在距腹板30~100?范圍內(nèi)存在較多縱向裂縫,其在縱橋向的分布沒有規(guī)則。

   6、箱梁內(nèi)部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)保護(hù)層偏薄、露筋現(xiàn)象,部分外露的鋼筋已發(fā)生銹蝕。

   三、病害產(chǎn)生原因分析

   1、 主跨跨中下?lián)?br />
   目前國內(nèi)有相當(dāng)數(shù)量的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋存在主梁跨中下?lián)线^大問題,下?lián)系闹饕螂m各不相同,但也有一些共同點(diǎn)。如混凝土的收縮徐變計算方法,由于影響因素復(fù)雜,至今沒有一種準(zhǔn)確的計算方法,從國內(nèi)目前的實踐情況看,徐變的終止時間也非三年結(jié)束,與混凝土的配合比、施工環(huán)境及各種添加劑等有相當(dāng)關(guān)系,另外預(yù)應(yīng)力的效率也因管道壓漿不能飽滿而與計算值有相當(dāng)差異,這些問題至今仍未解決。目前設(shè)計中解決的對策是將理論計算的撓度值另加一項約0.8~1.0‰L(跨徑)的經(jīng)驗值,以此作為預(yù)拱度值,以適應(yīng)橋梁在運(yùn)營期間跨中下?lián)蠁栴},并且以此換來一定的“上拱”值。

   本橋受當(dāng)年大跨徑連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋設(shè)計趨向影響,縱向頂板索為直線索未設(shè)計下彎索,該設(shè)計思想在后來的實踐中被證實其對主梁下?lián)系囊种谱饔眯Ч^差,近幾年已很少采用該法,特別是在特大跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中采用該法更是寥寥無幾。本橋頂板束的配置略偏少,雖然驗算結(jié)果跨中應(yīng)力儲備還在較理想范圍(采用了較多的連續(xù)鋼束),但由于頂板索的配置數(shù)量相對較低,這樣對主梁的下?lián)弦种谱饔貌患选?br />
   從檢驗報告結(jié)論中回彈法測試得到箱梁混凝土強(qiáng)度推定值為:40.7MPa,而設(shè)計為50號混凝土,混凝土強(qiáng)度不足也是主梁下?lián)系囊粋€因素。

   2、主跨跨中箱梁底板裂縫

   中跨合攏段底板上的橫向裂縫寬度達(dá)到0.3mm,由于該類型裂縫主要發(fā)生在合攏段,從計算情況看跨中在最不利組合下未出現(xiàn)拉應(yīng)力,并且相應(yīng)的腹板上并未出現(xiàn)裂縫,因此推斷:3m范圍內(nèi)的裂縫應(yīng)該是在施工過程中產(chǎn)生的,是由于養(yǎng)生措施不到位而產(chǎn)生的收縮裂縫,或在合攏束未張拉前溫度影響等原因造成,應(yīng)為非結(jié)構(gòu)裂縫。

   3、箱梁頂板裂縫

   根據(jù)檢驗報告,頂板裂縫有橫橋向裂縫及順橋向裂縫。橫橋向裂縫出現(xiàn)在德感側(cè)邊跨0~10m段上游側(cè),最大縫寬0.5mm,長度達(dá)4.3m,計算結(jié)果顯示在此范圍內(nèi)頂板壓應(yīng)力儲備偏低,因此判斷該類型裂縫為頂板抗彎不足所致。順橋向裂縫出現(xiàn)在主跨跨中合攏段,基本呈貫穿合攏段的趨勢,最大縫寬0.2mm,通過對橋面板橫向分析計算,橋面板跨中橫向應(yīng)力滿足要求,根據(jù)裂縫位置和開裂程度,初步判斷開裂原因為混凝土收縮徐變所致。

   4、腹板斜向裂縫

   本橋腹板上的斜裂縫為典型的主拉應(yīng)力裂縫,通過驗算本橋的豎向預(yù)應(yīng)力配置,按目前的經(jīng)驗看偏少,我們分別按豎向預(yù)應(yīng)力作用100%、50%和0%三種作用效率進(jìn)行分析,結(jié)果主拉應(yīng)力分別為0.9MPa、2.3MPa、3.7MPa。從目前應(yīng)用的精軋螺紋鋼錨固體系及施工質(zhì)量來看,設(shè)計計算趨向于只考慮豎向預(yù)應(yīng)力50%或30%的有效性,故本橋的主拉應(yīng)力超限可能性很大,加上縱向頂板鋼束沒有設(shè)置下彎,對主拉應(yīng)力的控制沒有起到作用。

   四、橋梁加固內(nèi)容及要點(diǎn)

   為確保該橋的耐久性及安全運(yùn)營,必須對其進(jìn)行加固處理。結(jié)合此橋現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)計算情況以及裂縫分布的基本狀況,提出以下加固設(shè)計目標(biāo)及措施。

   1、 加固設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)

   設(shè)計荷載:汽-超20級,掛-120、人群-3.5KN/m2;

   2、 主要加固設(shè)計目標(biāo)

  ?。?)適當(dāng)改善主橋的橋面線形,緩和跨中下?lián)犀F(xiàn)象;

   (2)提高箱梁頂板橫向抗彎能力,抑制裂縫的擴(kuò)展;

   (3)加強(qiáng)腹板截面抗剪能力,抑制裂縫的擴(kuò)展;

   3、 增設(shè)體外縱向預(yù)應(yīng)力鋼束

   預(yù)應(yīng)力束設(shè)置在主橋中跨,兩端分別錨固于兩零號塊橫隔板邊跨側(cè)。整個中跨共設(shè)置12根19Φ15.2mm的體外預(yù)應(yīng)力鋼束,每個腹板對應(yīng)6束,通過四個轉(zhuǎn)向塊分三批進(jìn)行下彎,下彎角度分別為9.1°、7.6°及5.7°。第一個轉(zhuǎn)向塊設(shè)置于第16個懸臂澆筑梁段頂板底面;第二個轉(zhuǎn)向塊設(shè)置于第22個懸臂澆筑梁段頂板底面和底板頂面,中間通過窄腹板連接;第三個轉(zhuǎn)向塊設(shè)置于第26個懸臂澆筑梁段,并從頂板底面連通至底板頂面;第四個轉(zhuǎn)向塊設(shè)置于第26個懸臂澆筑梁段底板頂面,錨下控制應(yīng)力為1116MPa。

   某大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的加固設(shè)計

   五、加固效果的理論分析與比較

    因本橋設(shè)計于1995年,當(dāng)時所采用橋規(guī)為《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ021-89)及《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023-85),故加固前后驗算均依據(jù)舊規(guī)范執(zhí)行。

   1、加固前、后計算分析比較

   為了便于對主橋加固前后的應(yīng)力、受力及變形情況進(jìn)行比較,現(xiàn)將主要計算結(jié)果列于下表。

   
 項目

     
加固前

     
加固后

     
規(guī)范允許值(MPa)

     
結(jié)構(gòu)抗力(kN.m)

     
中跨跨中下緣最小正應(yīng)力(MPa)

     
2.53

     
7.27

     
0.0

     


     
中跨跨中上緣最小正應(yīng)力(MPa)

     
4.70

     
4.91

     
0.0

     


     
L/4附近最大主拉應(yīng)力(MPa)

     
-3.22

     
-2.66

     
-2.4

     


     
最大主壓應(yīng)力(MPa)

     
17.7

     
17.4

     
21.0

     


     
跨中最大彎矩(kN.m)

     
164692

     
111541

     


     
385056

     
支點(diǎn)最小彎矩(kN.m)

     
-4990125

     
-4714293

     


     
-4901199

     
加固后跨中位移(cm)

     


     
5.34↑

     


     


     


   注:1、表中所列最大主拉應(yīng)力為豎向預(yù)應(yīng)力按50%考慮時的計算結(jié)果;

   2、表中所列結(jié)構(gòu)抗力值已按《公路舊橋承載能力鑒定方法》進(jìn)行折減,折減系數(shù)為Z1=0.95。

   2、計算結(jié)論

   由上表可知,加固后結(jié)構(gòu)受力得到了明顯改善,體現(xiàn)在下述幾個方面:

   1、支點(diǎn)截面及跨中截面的極限承載能力安全儲備提高;

   2、跨中截面下緣的應(yīng)力儲備提高了約4.7MPa;

   3、主梁的最大主拉應(yīng)力降低約0.6MPa;

   4、加固后,理論上主梁跨中將向上產(chǎn)生約5cm的位移。

   六、結(jié)語   對連續(xù)剛構(gòu)橋加固設(shè)計采用體外預(yù)應(yīng)力索,并通過設(shè)置轉(zhuǎn)向板來適應(yīng)預(yù)應(yīng)力索轉(zhuǎn)向,使橋梁受力明確、安全,對抑制跨中下?lián)希纳浦髁褐c(diǎn)及跨中應(yīng)力狀況,起到明顯的作用。
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