某预应力混凝土连续箱梁桥损伤评估与加固维修探讨

杨晓燕

(中铁大桥局武汉桥梁科学研究院有限公司,湖北 武汉 430034)

1 某加固维修桥梁概况及病害描述

(1)某(65+126+65)m的预应力混凝土连续箱梁桥,设计荷载汽-超 20级,由于超载、预应力损失、收缩徐变等因素的影响,在运营 11年后,箱梁桥面下挠严重,中跨下挠37cm。

(2)桥梁的腹板在边跨和中跨的 L/4～3L/4处均出现大量斜裂缝,在为期 80 d对中跨箱梁内22条裂缝的观测表明,有 12条长度变化量为 0.2～4.0cm,所有裂缝宽度变化量为■ =0.01～0.04mm。

2 损伤状态评估

根据该桥病害普查及荷载试验的结果,参照预应力混凝土连续箱梁的病害特点,分析了几种主要类型的损伤对结构应力和位移产生的影响,并就此作了相应的计算分析。

2.1 预应力损失的影响

由于竖向预应力筋较短,很小的锚固变形就会使张拉控制应力明显减小,而施工环境、工作空间小等因素使得大多数桥梁中竖向预应力损失严重,设计一般考虑 0.6倍的效应,结构损伤评估在原设计 0.6倍效应的基础上分别折减50% 、100%进行评估。

箱梁内纵向预应力钢束长时间持荷受力,并受到混凝土收缩徐变等的影响,有效预应力会进一步损失,普查发现顶底板有较多的横桥向裂缝,且中跨跨中下挠较严重,参照一般做法,分别按折减 10%、20%计算其影响。

2.2 徐变效应

混凝土收缩徐变是桥梁持续下挠的重要原因,其效应与结构的内力状态密切相关。对于一般的公路桥梁,徐变是根据恒载内力状态计算,不考虑活载的影响。本桥车流量大,任何时候桥面上都有一定的车辆,因此将该部分活载换算均布荷载用于计算徐变。

结合本桥的实际病害特征,计算徐变时还考虑了 2003年桥面铺装和纵向预应力折减20%的影响。

2.3 刚度折减影响

对于斜裂缝开展区域(两侧边跨 L/4～L/2及中跨 L/4～3L/4范围),考虑剪切刚度折减 30%、60%;对于顶底板裂缝区域(中跨 L/4～3L/4范围),考虑弯曲刚度折减 10%、20%,计算刚度折减对位移的影响。

2.4 汽车超载

原桥设计荷载为 6车道汽-超 20,设计车流量为 6万辆/日。经统计,本桥目前实际通行车辆为 14万辆/日,且在夜间有大量重车通过,存在严重的超载情况。由于实际流量比设计流量大 2倍以上,评估时单幅计算车道数由 2.52提高到 3.15。

2.5 综合损伤评估

本桥实际的桥梁损伤状态是多种单项损伤组合而成,为便于分析,定义两种损伤组合模型。

(1)低度损伤:竖向预应力折减 50%(在原设计 0.6倍效应的基础上进行折减),纵向预应力折减 10%,剪切刚度折减 30%,弯曲刚度折减 10%,徐变已发生,汽车超载。

(2)高度损伤:竖向预应力折减 100%,纵向预应力折减20%,剪切刚度折减 60%,弯曲刚度折减 20%,徐变已发生,汽车超载。

2.6 计算分析结论

通过对单项损伤和组合损伤进行计算分析发现,对梁体应力影响较大的因素包括预应力损失、收缩徐变、汽车超载三个方面。其中竖向预应力损失对主梁的上、下缘应力影响较小,纵向预应力的影响较大。纵向预应力折减 20%,对主梁上缘的应力影响最大为 2.8MPa,对下缘的应力影响最大为 4MPa;收缩徐变(包括二恒改铺)的效应使得主梁应力变化最大为 3.4MPa;汽车超载使得主梁上缘应力最大增加0.6MPa。

对中跨下挠影响较大的因素包括纵向预应力损失和收缩徐变,其中纵向预应力损失 10%使得中跨跨中下挠约 55mm;收缩徐变(包含二恒改铺)使中跨跨中下挠约 50mm。箱梁内部裂缝检查表明底板横向裂缝主要集中在中跨的L/4～3L/4范围内,两侧 65m边跨底板基本没有裂缝,因此只考虑在中跨 L/4～3L/4范围内进行弯曲刚度折减,弯曲刚度折减 20%导致主跨跨中下挠接近 9mm。剪切刚度的折减只在斜裂缝区域(两侧边跨 L/4～L/2及中跨 L/4～3L/4范围),剪切刚度折减 60%使得中跨跨中下挠约 8mm。

在该桥结构无损伤时,汽车超载产生的拉应力小于规范限值。桥梁结构产生低度损伤后,拉应力小于规范限值;产生高度损伤后,该桥在荷载组合(考虑超载)作用下正拉应力、主拉应力都超过了规范规定的材料限值。结构计算的主拉应力数值较大的区域与现场普查的裂缝分布区域基本对应。由于裂缝的出现导致材料进入塑性阶段,在多次加载反复作用下变形不断积累,这是导致该桥中跨跨中挠度不断增加的一个原因。本桥的实际损伤状况更接近于假定的低度损伤。

3 加固方案

通过以上对桥梁损伤类型及程度的分析及桥梁病害的表现,设计的加固方案如下:

(1)边跨、中跨腹板裂缝处粘贴碳纤维布、贴钢板。

(2)126m中跨部分采用劲性骨架增强截面刚度改善继续下挠的现状。

(3)边跨每箱室内布置 4束、中跨每箱室内布置 8束12～ 15.24mm环氧涂层填充型钢绞线,跨中底板粘贴 3层碳纤维布进行补强。

4 加固效果分析

(1)体外束是本桥加固的主要手段,其主要目的是通过预应力改变恒载内力状态,并减少一部分跨中下挠。

(2)钢桁架的主要作用是增加结构的刚度和承载力,承担一部分活载作用,减小活载产生的位移和应力。

(3)碳纤维贴在裂缝分布区,提高混凝土板的抗裂性能和耐久性。

4.1 加固后结构的安全性分析

对该桥加固后进行全桥空间结构有限元分析计算,计算内容如下:

(1)体外预应力钢束对梁体效应;

(2)体外预应力钢束和纵向桁架共同作用对梁体加固效应;

(3)体外预应力钢束和活载共同作用下梁体效应;

(4)施加了体外预应力、安装纵向桁架后的加固梁体在活载作用下的效应;

(5)体外预应力作用下转向架内力及基座的承载力验算;

(6)腹板内侧加固钢桁架对斜截面抗剪强度的影响。

结构安全性分析分别计算了梁体在张拉体外预应力束、安装纵向桁架、施加活载各阶段结构各构件的应力水平和位移状况。纵向桁架和转向架各杆件的受力、基座植筋满足规范要求。

体外预应力在一定程度上改善了顶板及跨中底板的应力状况,并可在较小程度上调整主梁线形;钢桁架对抗弯承载力的加固效果不佳,对结构整体受力和变形改善不明显。但考虑到纵桥向劲性钢桁架主要作用是补充腹板抗剪刚度,增强腹板抗剪能力,保证结构横截面受力更合理,虽然对结构抗弯刚度提高不大,但它是保证结构整体性能,抑止下挠等病害继续发展的重要措施。

4.2 加固后线形

该桥维修后进行了为期2年的桥面变形监测,监测时间分为白天和夜间,大气温度经历了最高温度(7月)和最低温度(1月),监测结果表明随着桥体温度上升,中跨跨中挠度呈减小趋势;随着桥体温度下降,中跨跨中挠度呈增大趋势,变化量分别为 15mm和 19mm,2年内跨中平均下挠 8.01mm。挠度增大趋势仍然存在,但下挠速率减小了一半,裂缝未发现有进一步发展。

5 结 论

(1)通过本文对预应力混凝土连续箱梁桥的损伤评估分析可以看出,造成本桥病害的主要因素是预应力损失、收缩徐变、汽车超载等。

(2)本桥的损伤评估采用了竖向预应力折减 50%(在原设计 0.6倍效应的基础上进行折减)、纵向预应力折减 10%、剪切刚度折减 30%、弯曲刚度折减 10%、徐变已发生、汽车超载的低度损伤模型,与实际损伤吻合。

(3)本桥采用的体外束、钢桁架、贴钢板和碳纤维的加固方法达到了预期的效果。

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