大跨度下承式預(yù)應(yīng)力混凝土桁架橋病害分析與加固方案

大跨度下承式預(yù)應(yīng)力混凝土桁架橋病害分析與加固方案

1結(jié)合城市基本功能的需要,可采取的加固措施低設(shè)計(jì)和預(yù)制混凝土構(gòu)件橋施工難度低，連接速度快，安裝空間小，20世紀(jì)90年代在中國(guó)修建了更多的房屋。但隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的推移和混凝土徐變的積累以及近些年交通量的不斷增加,該形式橋梁暴露出來的病害也較多,如橋梁的主要承力構(gòu)件出現(xiàn)開裂,結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力預(yù)存不足?？紤]到這些因素和城市建設(shè)需求,在21世紀(jì)初國(guó)內(nèi)一些城市開始逐步拆除該類型橋梁,但在有些地區(qū),該橋梁作為一種工業(yè)遺產(chǎn)予以保護(hù)并要求繼續(xù)使用,這就要求對(duì)既有的病害橋梁采取必要的加固措施,使之能繼續(xù)發(fā)揮自身的交通功能。本文以杭州某下承式預(yù)應(yīng)力混凝土桁架橋?yàn)槔?分析了橋梁病害的主要原因,并提出了采用高強(qiáng)精軋螺紋鋼對(duì)橋梁豎桿加固的措施。2橋梁結(jié)構(gòu)及病害情況杭州市某跨京杭運(yùn)河橋梁,建于1993年,設(shè)計(jì)荷載為汽-10,并按人群荷載3.5kN/m2驗(yàn)算。橋面凈寬為4.5m,主孔計(jì)算跨徑為55m,兩端邊孔為13m,主桁架采用C50混凝土。該橋上部結(jié)構(gòu)為下承式預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支桁架梁,其下弦桿和豎桿均施加預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力采用冷拉Ⅳ級(jí)粗鋼筋軋絲錨體系,利用先建橋后挖河的條件,采取就地組拼,分段施加預(yù)應(yīng)力。桁架梁縱向共分5段預(yù)制構(gòu)件,采取整體放樣和澆注,分5段拼裝。全橋總共有18根預(yù)應(yīng)力混凝土豎桿(上、下游各有9根),原橋施工時(shí)考慮到拼裝方便,豎桿每隔1根為“雙桿”(桿件編號(hào)如圖1所示)。豎桿截面為矩形,其中單桿構(gòu)件截面為200mm×500mm,雙桿豎桿中的每根單桿截面為150mm×500mm。主橋橋面行車道板采用?5mm的冷拔低碳鋼絲預(yù)應(yīng)力空心板。支座采用盆式橡膠支座。2006年浙江大學(xué)土木測(cè)試中心對(duì)該橋主要承重構(gòu)件的裂縫、碳化、露筋情況進(jìn)行人工調(diào)查,發(fā)現(xiàn)病害主要有:①桁架豎桿橫向受拉裂縫較多,且分布較密集;②桁架的主要承重桿件,如豎桿、下弦桿及橋梁底板表層混凝土碳化;③部分豎向弦桿和腹桿局部出現(xiàn)露筋和銹蝕,部分弦桿表層混凝土破損嚴(yán)重;④橋面有多處裂縫、局部坑槽、碎邊等現(xiàn)象,橋頭有局部沉陷,縫料老化、破損,伸縮縫連接部件錯(cuò)位松動(dòng)。以上病害主要原因是由于橋梁的豎桿中預(yù)應(yīng)力筋及混凝土的徐變導(dǎo)致桿件內(nèi)部預(yù)應(yīng)力不斷損失,出現(xiàn)宏觀受拉橫向裂縫。整座橋梁預(yù)應(yīng)力不足,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分配,斜腹桿承受過大的壓應(yīng)力也出現(xiàn)少數(shù)受壓裂縫。3對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土桁架橋豎桿進(jìn)行加固豎桿為橋梁關(guān)鍵受力構(gòu)件,通過桿件內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋來承受較大的拉力,而斜腹桿自身為混凝土材料,可發(fā)揮材料自身的高抗壓性能。采用三維有限元軟件MIDAS計(jì)算豎桿在橋梁最不利荷載作用下軸力。計(jì)算表明,橋梁端部1號(hào)和9號(hào)豎桿在交通荷載(汽-10)下所承受的拉力為120kN,豎桿承受拉力從端部向跨中降低,跨中5號(hào)豎桿拉力最小,約為60kN,即橋梁兩端豎桿承受的拉力約為跨中豎桿的2倍。由于該橋位于錢江新城重要區(qū)段,錢塘江和京杭大運(yùn)河也在這里交匯,交通異常繁忙,因此管理部門要求對(duì)該橋封閉交通時(shí)間不超過2d。綜合考慮計(jì)算結(jié)果及通車時(shí)間緊這一情況,對(duì)該橋的豎桿進(jìn)行加固即可解決病害的主因,故將豎桿作為該橋加固的主要構(gòu)件?；谟?jì)算結(jié)果及對(duì)該橋預(yù)應(yīng)力損失的估算,并考慮到加固的有效性和工期要求,對(duì)端部1號(hào)~3號(hào)、7號(hào)~9號(hào)豎桿進(jìn)行加固,上、下游加固的桿件共12根。對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土桁架橋豎桿的加固可采用2種方案:第1種是粘貼碳纖維布來增強(qiáng)桿件抗拉能力,粘貼碳纖維布時(shí)需要將布的紋理方向與桿件方向平行;第2種是通過采用高強(qiáng)的鋼筋加固桿件,補(bǔ)充桿件預(yù)應(yīng)力。第1種方案,雖然碳纖維的抗拉強(qiáng)度較高,但卻是“被動(dòng)”地增加豎桿的抗拉承載力,只有到橋梁變形較大時(shí)該效應(yīng)才能得以體現(xiàn),施工成本較高,多層碳纖維的粘貼也會(huì)影響工期。第2種方案“主動(dòng)”地補(bǔ)充預(yù)應(yīng)力,特點(diǎn)有:①通過增加預(yù)應(yīng)力,使受拉裂縫閉合,可改善橋梁整體受力狀態(tài);②工期短,施工方便;③成本較低;④預(yù)應(yīng)力張拉精度控制要求較高。經(jīng)比選,該橋采用第2種加固方案。由于該橋建成至今已有20多年,根據(jù)混凝土的徐變規(guī)律,混凝土的后續(xù)徐變程度很小,總體趨于穩(wěn)定,同時(shí)考慮到原橋豎桿也是預(yù)應(yīng)力構(gòu)件,豎桿采用體外預(yù)應(yīng)力加固時(shí)混凝土徐變的影響可以不計(jì)。該橋加固除主要對(duì)豎桿進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固外,還采取了對(duì)斜腹桿、橋面、橋墩等表面進(jìn)行環(huán)氧砂漿修補(bǔ),對(duì)橋面重新鋪裝防水層,更換橋梁伸縮縫等措施,以提高橋梁的耐久性。4外部預(yù)測(cè)校正4.1安裝錨墊板及鋪設(shè)緩沖墊層高強(qiáng)螺紋鋼具有強(qiáng)度高、冷彎性能好、焊接性能好、強(qiáng)屈比高(不小于1.25)等優(yōu)點(diǎn),確定采用高強(qiáng)精軋螺紋鋼作為體外預(yù)應(yīng)力筋對(duì)豎桿進(jìn)行加固。在每根豎桿四周對(duì)稱安裝4根螺紋鋼(螺紋鋼公稱直徑18mm,抗拉強(qiáng)度980MPa,最大拉力下總伸長(zhǎng)率大于3.5%)。在豎桿上、下端部采用厚25mm的錨墊板承受螺紋鋼拉力。為確保錨墊板可以將外力均勻分配在豎桿截面上,同時(shí)考慮到緩解應(yīng)力集中減少桁架節(jié)點(diǎn)在錨墊板處的損傷,在錨墊板與豎桿之間采用厚4mm的環(huán)氧砂漿進(jìn)行找平,上面再鋪設(shè)厚2mm的橡膠層作為緩沖墊層。豎桿體外預(yù)應(yīng)力筋布置示意如圖2所示。4.2錨墊板應(yīng)力幅值的計(jì)算有效預(yù)應(yīng)力一般占總張拉力的0.7~0.85。在該橋加固中,考慮到豎桿端部環(huán)氧砂漿和橡膠墊層、預(yù)應(yīng)力筋徐變等因素,體外預(yù)應(yīng)力的有效預(yù)應(yīng)力偏保守按總預(yù)應(yīng)力的0.7計(jì)算;同時(shí)考慮到材料強(qiáng)度退化及豎桿狀況的差異,不宜對(duì)豎桿施加過大預(yù)壓應(yīng)力。對(duì)1號(hào)、9號(hào)豎桿有效預(yù)應(yīng)力按40kN計(jì),超張拉20kN;2號(hào)、8號(hào)豎桿有效預(yù)應(yīng)力按30kN計(jì),超張拉18kN;3號(hào)、7號(hào)豎桿有效預(yù)應(yīng)力按25kN計(jì),超張拉11kN。采用Abaqus三維空間有限元軟件對(duì)橋梁豎桿、錨墊板進(jìn)行受力計(jì)算,計(jì)算的關(guān)鍵是上、下端部錨墊板應(yīng)力幅值。計(jì)算表明,去除螺紋鋼孔邊應(yīng)力“失真”單元,錨墊板最大主應(yīng)力約為150MPa,為屈服強(qiáng)度的20%,滿足要求;在體外預(yù)應(yīng)力作用下1號(hào)、9號(hào)豎桿混凝土壓應(yīng)力增量為0.6MPa,2號(hào)、8號(hào)豎桿混凝土壓應(yīng)力增量為0.32MPa,3號(hào)、7號(hào)豎桿混凝土壓應(yīng)力增量為0.36MPa。4.3千斤頂及張拉施工體外預(yù)應(yīng)力張拉順序:①橫橋向,同一橫截面相對(duì)應(yīng)的豎桿同步(上、下游對(duì)稱)進(jìn)行張拉;②順橋向,按照桿件承受拉應(yīng)力大小順序(先邊后中)進(jìn)行張拉,且順橋向?qū)ΨQ進(jìn)行張拉。由于每根豎桿的4根螺紋鋼難以同步進(jìn)行張拉,需要控制每根螺紋鋼的張拉(循環(huán))應(yīng)力。要求對(duì)每根豎桿的斜對(duì)角2根螺紋鋼同步進(jìn)行張拉,且保證每個(gè)豎桿張拉循環(huán)后斜對(duì)角2根螺紋鋼與其它2根螺紋鋼應(yīng)力差值不得超過張拉控制荷載的10%。在每根豎桿錨墊板4個(gè)角點(diǎn)上對(duì)稱布置4個(gè)千斤頂(見圖3),千斤頂上端頂在工具錨板上,下端頂在錨墊板上,工具錨板與錨墊板均有螺母與螺紋鋼相連。千斤頂頂升時(shí),同步下旋錨墊板上螺母,使之與錨墊板緊密接觸,千斤頂回程時(shí),下旋工具錨板螺母,使之也與錨墊板緊密接觸。第1次先張拉1號(hào)、9號(hào)豎桿的斜對(duì)角2根螺紋鋼,張拉荷載占總荷載30%,再張拉相對(duì)應(yīng)另外斜對(duì)角2根螺紋鋼,張拉荷載占總荷載30%;第2次張拉2號(hào)、8號(hào)豎桿的斜對(duì)角2根螺紋鋼,張拉荷載占總荷載30%,再張拉相對(duì)應(yīng)另外斜對(duì)角2根螺紋鋼,張拉荷載占總荷載30%;第3次和第4次張拉分別重復(fù)第1次和第2次操作;第5次和第6次張拉3號(hào)、7號(hào)豎桿,張拉荷載分別占總荷載40%;第7次和第8次分別張拉1號(hào)和9號(hào)、2號(hào)和8號(hào)豎桿,張拉荷載分別占總荷載的20%;第9次和第10次分別重復(fù)第7次和第8次操作;第11次張拉3號(hào)、7號(hào)豎桿,張拉荷載占總荷載的20%。為確保豎桿體外預(yù)應(yīng)力施加過程中橋梁各構(gòu)件工作狀況正常,降低預(yù)應(yīng)力張拉風(fēng)險(xiǎn),需對(duì)張拉過程各構(gòu)件受力狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)控以油壓表實(shí)測(cè)壓力為主要量化指標(biāo),以豎桿裂縫變化為目測(cè)指標(biāo)。原則上隨著預(yù)應(yīng)力的不斷張拉,豎桿橫向裂縫寬度應(yīng)逐漸減小,但若在張拉過程中出現(xiàn)豎向裂縫或局部混凝土破損則應(yīng)立即停止張拉,分析原因并調(diào)整張拉順序或張拉控制力。對(duì)于2號(hào)、8號(hào)雙桿(南北對(duì)稱),視同一根桿件(單桿)進(jìn)行張拉,張拉控制方法均與單桿相同。5下弦桿加固前后應(yīng)力幅值的比較為驗(yàn)證該加固方式對(duì)橋梁受力狀態(tài)的影響,對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn),試驗(yàn)加載及數(shù)據(jù)采集方式與加固前靜載試驗(yàn)一致,檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如下:(1)與加固前檢測(cè)結(jié)果相比,端部1號(hào)、9號(hào)豎桿最大應(yīng)變減小21.36%,2號(hào)、8號(hào)豎桿最大應(yīng)變減小23.8%,跨中豎桿最大應(yīng)變減小11.69%。(2)下弦桿跨中最大應(yīng)變較加固前減小13.1%。(3)橋梁跨中撓度較加固前減小9.75%。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,加固后主要受拉桿件應(yīng)力幅值有較大程度的降低,橋梁關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)有了明顯的改善。在該橋加固完成后至今已有3年時(shí)間,通過橋梁管理部門在日常管理和養(yǎng)護(hù)來看,該橋加固效果較為明顯,加固過的預(yù)應(yīng)力豎桿未出現(xiàn)任何明顯的橫裂紋,豎桿上、下端部完好,