沈阳市某预应力混凝土连续梁桥的病害处理.pdf

沈 阳 市 某 预 应 力 混 凝 土 连 续 梁 桥 的 病 害 处 理 张欣禹 1, 张星云2 ( 1. 沈阳市市政工程设计研究院, 辽宁 沈阳 110015; 2. 北京建达道桥咨询有限公司, 北京 100016) 摘要: 通过外观检测和桥梁静载试验对沈阳市一座主跨 100 m 的三跨预应力混凝土变截面连续箱梁桥的病 害情况进行检测。通过有限元程序对该桥的病害产生原因进行详细的分析并采取加厚腹板、 增设体外束及增设体 内束等方法进行加固。加固后的检测及运营情况表明, 所制定的加固方法行之有效。 关键词: 连续梁桥; 箱形梁;裂缝; 桥梁加固 中图分类号: U448. 215;U445. 72文献标志码:A文章编号: 1671- 7767(2010)03- 0064- 03 收稿日期3 作者简介 张欣禹(), 男, 高级工程师,年毕业于合肥工业大学道桥专业, 工学学士(zxy@6)。 1工程概况 沈阳市某桥是沈阳市二环路的重要组成部分, 为一座(65. 94+ 100+ 65. 94) m 三跨变截面预应力 混凝土连续箱梁桥, 桥梁立面布置如图 1 所示。桥 梁分左、 右两幅, 两幅桥相互分离, 每幅桥桥面宽 12. 75 m。桥梁上部结构采用三向预应力混凝土 (C50)连续箱梁, 单箱单室结构, 梁高 2. 3~ 5. 5 m。 底板厚 30~ 70 cm, 顶板厚 30 cm, 腹板厚 40~ 60 cm。纵向预应力钢束包括顶板束和底板束 2 种, 均 采用钢绞线; 横向预应力钢束采用碳素钢丝; 竖向预 应力钢筋采用高强精轧螺纹钢筋。该桥修建于 1997 年, 设计荷载汽- 20 级, 验算荷载挂- 100 级。 图 1桥梁立面布置示意 2主要病害情况 2008 年 5 月, 在桥梁外观普查过程中, 发现箱 梁内部裂缝较多, 出于安全考虑, 管养单位对桥梁作 出限载 15 t 运营的规定, 鉴于该桥病害较为严重, 2008 年 6 月对该桥进行了全桥检测, 发现该桥主要 存在以下几个方面的病害: (1) 中跨梁体下挠明显。经现场测量, 检测时 桥面线形相比桥梁成桥线形有明显下挠, 其中中跨 跨中部位约下挠了 10 cm, 中跨 1/ 4 跨附近约下挠 了 4 cm。 (2) 箱梁开裂严重。连续梁主梁跨中至支点范 围内的腹板内、 外侧均有裂缝, 裂缝间距~ 5 , 裂缝宽度多在~, 最大缝宽6 mm, 裂缝特征相似, 主要为斜向裂缝, 且越靠近跨 中倾斜角度越小, 在跨中 4 m 范围内为竖向裂缝。 箱梁内部顶板裂缝均为顺桥向裂缝, 且主要集中在 箱梁中心线附近。 (3) 抗弯刚度不足。桥梁静载试验表明, 目前 的承载能力尚能满足汽- 20 承载能力的要求, 但对 中跨跨中断面最大弯矩加载时, 实测挠度为 27. 3 mm, 计算挠度为 30 mm, 挠度校验系数超过了 0. 90, 表明中跨跨中断面的抗弯刚度富余量略显 不足。 (4) 弹性工作性能一般。卸载后, 部分测点的 残余应变和相对残余变形超过了 10% , 表明桥梁的 弹性工作性能一般。 3主要病害原因分析 结合模型计算、 检测资料及周边环境调研, 该桥 病害产生的原因主要有以下几个方面 [1] 。 3. 1病害原因分析 3. 1. 1预应力损失的影响 该桥 1997 年建成, 至今已有 10 余年时间, 混凝 土收缩徐变基本完成, 其引起的预应力损失较大。 为了便于施工, 在施工时腹板纵向预应力束短距离 弯起后即锚固, 未设置通长的上、 下弯起束, 即该钢 束没能提供充足的竖向预应力; 该桥的竖向预应力 筋和横向预应力筋长度均较短, 在长期频繁的动荷 载作用下, 锚具不可避免地会出现松动变形, 预应力 损失较多。为了解预应力的损失情况, 对纵向预应 力筋的预应力损失进行了抽测, 实测结果表明预应 力损失约为%。 3桥面铺装过厚的影响 64世界桥梁 2010 年第 3 期 : 2010- 04-0 :1972-1994E mail: hang in u200012 . com 200 cm0. 10. 4 mm0.9 20 . 1. 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 本次检测时发现, 中跨跨中附近铺装层厚度明 显大于设计要求。分析认为该桥施工时标高控制误 差较大, 跨中梁体已经出现下挠。到了施工后期, 为 了控制纵断面线形, 只能通过增加铺装层厚度来弥 补, 又造成了成桥恒载的增加。通过对桥面铺装厚 度进行抽测发现, 中跨跨中附近 6 m 范围内平均超 厚约 8 cm。 3. 1. 3使用荷载超限的影响 该桥作为沈阳市二环路上的重要交通节点, 交 通流量大, 且超载车辆较多, 超过桥梁设计荷载等级 的车辆频繁过桥, 导致桥梁损伤, 出现如中跨跨中下 挠过大、 桥面板开裂等病害。 3. 2病害原因计算 为了解以上因素对中跨下挠及梁体开裂的影 响, 对结构进行有限元计算分析, 结构计算采用 MI DAS 进行建模, 桥梁的计算模型及桥梁在设计荷载 作用下的弯矩包络图分别如图 2 和图 3 所示。 图 2桥梁计算模型 图 3桥梁在设计荷载作用下弯矩包络图 模型中混凝土收缩徐变按 10 年计算; 因施工工 艺原因造成的预应力损失按施加预应力的 20% 考 虑; 桥面铺装按中跨跨中附近 6 m 范围内超厚 8 cm 考虑; 实际使用荷载按汽- 超 20 进行考虑。以上因 素对中跨跨中下挠及中跨跨中底板拉应力的影响计 算结果如表 1所示。 由表 1 可知, 由于以上因素的影响, 相比正常成 表 1各因素对中跨跨中挠度及中跨跨中底板应力的影响 影响因素考虑方式 中跨跨中 挠度/ cm 中跨跨中底 板应力/ MPa 混凝土收缩徐变收缩徐变10 年1. 10. 46 施工工艺造成 的预应力损失 预 应 力 损 失 20% 5. 22. 20 桥面混凝土超厚 中跨跨中附近 6 m 范 围内桥 面板超厚 1. 10. 45 使用荷载超载 实际按汽超 考虑 各因素总影响值3 55 注 中跨跨中挠度以下挠为正, 梁体应力以受拉为正。下同。 桥状况, 中跨跨中可能会下挠 8. 4 cm, 中跨跨中底 板会产生 3. 58 MPa 拉应力。这与全桥检测中发现 中跨跨中下挠 10 cm, 箱梁内、 外开裂严重的实际情 况基本吻合。 4主要加固措施及计算分析 针对该桥箱梁内、 外开裂严重及预应力损失较 大等特点, 该桥的加固主要采用加厚箱梁腹板、 增设 腹板束 [2] 和底板体外束 [3] 以及对裂缝进行封闭和灌 浆处理。 4. 1加固措施 4. 1. 1加厚腹板 在全桥箱梁腹板内侧凿毛、 涂刷界面剂、 钻孔植 筋、 布设钢筋网, 新浇 C50 混凝土, 腹板常规段增加 厚度 25 cm、 腹板截面变化段增加厚度 35 cm、 临近 边支点附近段增加厚度 47 cm。为了保证新浇混凝 土质量以控制裂缝, 要求采用自密实的补偿收缩混 凝土(内掺微膨胀剂), 控制好配合比, 使用带有附着 式振捣器的轻型钢模板, 一次浇注完成。 4. 1. 2增设腹板束 在新增腹板厚度内, 均布 2 束 19 s15. 2 mm 规 格的高强度低松弛钢绞线, 张拉应力取钢绞线破断 强度 1 860 MPa 的 75% , 即单根钢绞线张拉力为 193. 9 kN。为了控制新增腹板裂缝, 钢束分 2 次张 拉, 即提前张拉部分预应力使新增腹板处于一定预 压状态。 钢束除弯起范围及锚固区外, 其余部分均沿底 板顶面、 顶板底面平行布设, 采用钻孔的方式通过主 墩墩顶横隔板。 原桥在主梁端部设置了较大的实体横隔梁(未 设人洞), 新设的边跨腹板束不能在主梁端部进行张 拉, 因此边跨腹板束在梁端采用固定端锚具, 预埋在 腹板加厚混凝土中; 张拉端锚具设置在墩顶两侧现 浇混凝土斜锚块中, 其预应力管道通过对横隔板钻 孔放置在现浇混凝土斜锚块及墩顶加强块中, 以实 现腹板束的平弯和竖弯。墩顶斜锚块及加强块在确 保不破坏原结构预应力钢束的条件下, 采用植筋技 术及在新、旧混凝土接触面凿出剪力槽的方式, 同 顶板、 腹板、 横隔板一起承受腹板束张拉力。 4. 1. 3增设底板体外束 体外束采用 s 5规格的高强度低松 弛镀锌钢绞线, 中跨底板增设束、 边跨底板增设 束, 张拉应力取镀锌钢绞线破断强度6M 的 65%, 即单根钢绞线张拉力为 5N。 65 沈阳市某预应力混凝土连续梁桥的病害处理张欣禹, 张星云 8 cm - 20 1. 00. 44 8. 4. : 221 . 2 mm 10 2170Pa 1 0. 9 k 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢束除锚固区外, 其余部分均沿底板顶面平行 布设, 钢束与底板间设防振定位装置。中跨底板束 采用钻孔的方式通过跨中横隔板。 在保证不破坏原结构预应力钢束的条件下, 箱 体内增设新齿板, 采用植筋技术及在新、 旧混凝土接 触面凿出剪力槽, 使现浇齿板通过底板抗剪承受体 外束张拉力。 4. 1. 4处理裂缝 采用压浆法修补缝宽0. 15 mm 的裂缝, 采用 封闭法修补缝宽< 0. 15 mm 的裂缝, 以提高结构的 耐久性能。 4. 2加固计算分析 加固前, 采用 MIDAS 建模计算了上述加固方 法对中跨跨中挠度及中跨跨中箱梁底板应力的影 响, 计算结果如表 2 所示。 计算结果表明, 综合加固处置措施对减小中跨 表 2各加固方法对中跨跨中挠度 及中跨跨中底板应力的影响 加固方法中跨跨中挠度/ cm中跨跨中底板应力/ MPa 增加腹板厚度1. 30. 55 增设腹板束- 3. 8- 1. 42 增设底板体外束- 6. 1- 2. 32 各因素总影响值- 8. 6- 3. 19 下挠及改善箱梁受力状况有显著的效果。 5结语 该桥是沈阳市二环路的重要组成部分, 车辆流 量大、 交通地位重要。在控制车距、 车速, 不完全中 断交通的情况下该桥的加固处理已经完成。为检验 加固后的效果, 在加固完成 3 个月后重新对该桥进 行了全桥检测, 检测结果表明: 中跨跨中和 1/ 4 跨处 相比加固前均有一定程度的上挠, 分别上挠了 7. 6 cm 和 3. 4 cm; 桥梁的承载能力满足原设计要求, 箱 梁的弹性工作性能良好并具有一定的安全储备。目 前, 本桥在修补加固后已正常运营了大半年, 未发现 新裂缝产生, 原有裂缝在修补加固后未见重新开裂 现象。 参考文献: [1] 刘小燕, 龙浩军, 韦成龙, 等. 公路 PC 箱梁腹板裂缝成 因与混凝土应力限值研究[J] . 桥梁建设, 2006, (2) : 14 - 17. [2] 周安, 戴航, 刘其伟. 体内预应力组合梁混凝土预压 应力分析[ J] . 工业建筑, 2005, ( Z1) :94- 96. [3] 孙宝俊, 周国华. 体外预应力结构技术及应用综述[ J]. 东南大学学报, 2001, 31( 1) :109- 113. Handling of Deteriorations of a Prestressed Concrete Continuous Box Girder Bridge in Shenyang City ZHANG Xin yu 1, ZHANG Xing yun2 ( 1. Shenyang Municipal Engineering Design and Research Institute, Shenyang 110015, China; 2. Beijing Jianda Road and Bridge Consulting Co., Ltd., Beijing 100016, China) Abstract: The deteriorations of a three span prestressed concrete continuous box girder bridge with variable cross section and having a main span of 100 m in Shenyang City were detected through the visual inspection and static load tests. The causes leading to the deteriorations were analyzed in detail by the finite element program and the bridge was then strengthened by the method of increasing the web thickness and adding the external and internal prestressing strands. The inspection and operation of the bridge after strengthening proved that the strengthening method prepared for the bridge was feasible and effective. Key words: continuous girder bridge; box girder; cracking; bridge strengthening 66世界桥梁 2010 年第 3 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m