预应力混凝土连续梁桥维修加固技术的对比研究.docx

预应力混凝土连续梁桥维修加固技术的对比研究邵华英1 , 刘旋云1 , 周德2(1 . 佛山市路桥建设有限公司 , 广东 佛山 528000 ; 2 . 中南大学)摘 要 : 针对预应力混凝土连续梁桥裂缝损坏问题 ,以佛山市某立交桥为工程背景 ,采用空间有限元方法 ,对两种维修加固方案下桥梁的受力状况进行对比研究 ,对两种方案的施 工工艺和技术特点也进行了探讨 。关键词 : 维修加固 ; 预应力混凝土 ; 连续梁桥 ; 裂缝 ; 有限元预应力混凝土连续梁桥由于具有刚度大、整体性好、视野开阔、施工简便快捷等优点 ,在工程中已得到 广泛应用 ,尤其是应用在中、小跨度桥梁中 。然而 ,随 着经济的发展 ,部分地区交通流量往往超过设计时的 预期流量 ,且车辆超载、超限现象普遍 ,加上桥梁受温 度变化、混凝土收缩徐变 、支座不均匀沉降 、预应力损 失和施工措施不当等因素的影响 ,致使部分桥梁出现 严重的开裂现象 ,安全储备大大缩小 ,这不但影响桥梁 的承载能力和使用寿命 ,也存在重大的安全隐患 。为此 ,不少学者结合具体的工程实例对混凝土梁 桥裂缝的加固方法进行了一些研究。刘志辉对主跨为103 . 8 m 的江门迎宾大桥的维修加固进行了研究 ,认 为采用“壁可”法、粘贴钢板 、碳纤维布等新工艺加固桥 梁 ,可获得满意的加固效果 ;李尧采用预应力体外索的 方法对株洲新华路湘江公路大桥进行加固 ,该措施没 有对正常行车造成干扰 ,在施工条件有限、空间狭小的情况下充分保证了质量 , 投资较少 , 收到了较好的效 果 ;刘昌义以东圃大桥为工程实例提出了一个基于投 资 - 效益均衡的优选加固设计概念 ; 张育明研究了汾 江大桥病害及加固技术 ; 黄军生和梦表柱对裂缝成因 和类型进行了分析 ; 林宝珠以一座主跨 80 m 的多跨预应力混凝土变截面连续箱梁桥为例 ,对新增混凝土 裂缝情况进行了分析并提出了控制措施。但上述研究中 ,多以介绍加固措施为主 ,少见理论 分析。为此 ,笔者以佛山市某立交桥为工程背景 ,采用 空间有限元方法 ,对预应力混凝土连续梁桥采用的两种加固方案进行对比研究。工程背景1佛山市某立交桥为预应力混凝土连续梁桥 ,跨度布置为 35 + 45 + 35 m ,主梁采用单箱双室变截面 ,箱 梁根部梁高 2 . 5 m ,主跨跨中和边跨端部梁高 1 . 7 m , 箱梁顶板宽 19 . 68 m ,底板宽 13 . 68 m ,翼板悬臂长度 为 3 m ,腹板厚度 4575 c m ,外侧采用直腹板 ,箱梁顶 板厚 28 cm ,底板厚 2550 c m 。主梁采用 C50 级混凝 土 ,每个腹板采用 6 束 17 j 15 . 24 mm 钢绞线 ,预应力 管道采用 90 带钢波纹管 , 钢绞线强度等级为1 860M Pa 。图 1 为该桥结构构造图 。 该桥采用满堂支架法施工 ,但在施工过程中 ,由于支架不均匀下沉、箱梁混凝土浇筑完成后未能及时张拉预应力筋、工序间隔时间太长等原因 ,导致了箱梁顶 面主墩横隔梁两侧顶板上发生了多处裂缝 ,部分裂缝 由顶板延伸至腹板 。其中 ,箱梁顶面裂缝达 18 条 ,裂 缝长度大多己达到 10 m 以上 , 裂缝宽度 0 . 2 0 . 5 mm ,随着支架继续下沉 ,最大的裂缝宽度达 1 . 8 mm , 横贯整个箱梁顶面 ,并向下延伸至腹板约 80 cm 处 ,裂 缝宽度已远远超出桥梁设计规范要求。图 2 为该桥桥 面裂缝示意图。两种维修加固方案2从受力角度来看 ,该桥在预应力束张拉前 ,开裂截面实际已经改变了原结构的截面刚度 ,使结构内力发 生了重分布。即使之后对预应力束进行张拉 ,开裂截 面的裂缝也闭合很小。因此 ,对于该桥的维修加固主收稿日期 :2009 - 12 - 21作者简介 :邵华英 ,男 ,大学本科 ,工程师. E - mail :jo dy. zd qq. co m1992010 年 第 3 期邵华英 ,等 :预应力混凝土连续梁桥维修加固技术的对比研究要是通过增设预应力筋来提高结构预应力的储备 ,已达到提高桥梁承载能力和改善桥梁受力状态的目的。设计中提出以下两种维修加固方案。图 1 佛山市某立交桥结构构造 (单位 :cm)图 2 佛山市某立交桥桥面裂缝示意图 (单位 : m)方案 1 : 增设体外预应力束筋和粘贴钢板 。该方 案是将体外预应力束筋直接通过穿孔的方式从主墩横 隔板中间直通 ,然后锚固在边跨端部增设的锚固齿板 上。共设置 4 束 21 j 15 . 24 体外预应力束筋 , 主梁顶 板上按一定间距粘贴钢板条来约束裂缝的继续扩张 , 如图 3 所示。方案 2 :增设体内预应力束筋和干轧混凝土铺装 层。该方案是在主墩支点附近出现裂缝区域的顶板上 ,紧贴顶板布设平行的体内预应力束筋 ,通过在锚固位置的顶板上凿槽设置张拉台座 ,单根逐一张拉预应力束筋 ,然后在桥面上浇注 5 c m 厚的 C50 钢纤维干 轧混凝土进行覆盖。预应力束筋分布和干轧混凝土铺装详见图 4 。图 3方案 1 (单位 :cm)为了确保结构的耐久性 ,两种加固方案在进行预应力束张拉前 ,对宽度大于 0 . 15 mm 的裂缝采用“壁200中外公路第 30 卷可”法灌注进口优质高分子树脂处理 , 并外涂防护材料 ;对宽度小于 0 . 15 mm 的裂缝 ,采用环氧材料进行 封闭。缝得到处理 , 开裂截面基本闭合 , 分析时按全截面计算 ,考虑的荷载主要有维修加固时增加的结构重量和 预应力 ,以及维修后的二期恒载和活载等。将上述两 个阶段各荷载作用下桥梁的应力叠加 ,即可得到维修 加固后桥梁在荷载组合作用下的总应力。分析时 ,采用有限元软件 M IDA S 建立空间力学模型 ,混凝土箱梁采用空间梁单元模拟 ,边界条件按实 际情况施加。图 5 为全桥有限元模型。图 5 全桥有限元模型计算时 ,各种荷载如下 :(1) 结构自重 :箱梁的重度按 25 . 5 kN/ m3 计算。 (2) 二期恒载 :桥面净宽为 18 . 88 m ,水泥沥青铺 装层厚 10 c m ,重度为 23 . 0 kN/ m3 ;每侧防撞栏重7 . 5kN/ m ,折算成线荷载大小为 58 . 424 kN/ m 。(3) 收缩徐变 : 混凝土的养护龄期取 7 d ,收缩徐 变计算龄期为 1 500 d ,根据 J T G D60 - 2004公路桥涵设计通用规范,瞬时徐变终极值取 0 . 8 ,徐弹终极值取 0 . 4 , 徐塑终极值取 1 . 9 , 混凝土收缩终极值取0 . 000 21 ,构件的理论厚度取平均值 100 c m 。(4) 车道荷载 :按公路 - 级取值 ,即均布荷载标 准值 10 . 5 kN/ m ,集中荷载标准值取 340 kN ,活载偏 载系数取 1 . 20 。(5) 预应力 : 包括原设计预应力和加固时的预应 力 ,采用等效荷载法进行模拟 ,考虑预应力损失。两种维修加固方案受力状况比较4为考察两种加固方案下桥梁的受力状态 ,取边跨跨中、中支点和中跨跨中共 3 个控制截面处应力进行 研究 ,桥梁其他区域的应力都小于上述 3 处的应力 ,因 此 ,不一一列出 。表 1 列出了维修前 ( 即第 1 阶段) 桥梁在自重 、设 计预应力和混凝土收缩徐变共同作用下各控制截面处 的应力 。图 4 方案 2 (单位 :cm)有限元计算方法和计算参数3对该桥维修加固的分析计算分两个阶段分别进行。第 1 阶段为加固维修之前桥梁的受力状态 ,该阶 段支点附近截面开裂 ,因此 ,分析时支点附近截面需按 开裂后的折减截面刚度来计算 ,考虑的荷载主要有结 构自重、设计预应力和混凝土收缩徐变等。第 2 阶段 为加固维修时和维修后桥梁的受力状态 ,此时 ,由于裂表 1第 1 阶段各控制截面处的应力M Pa位置边跨跨中中支点中跨跨中顶板底板2 . 8475 . 5199 . 2850 . 8393 . 3894 . 8672012010 年 第 3 期邵华英 ,等 :预应力混凝土连续梁桥维修加固技术的对比研究由表 1 可见 :维修前桥梁各控制截面均处于受压状态 ,值得注意的是 ,在中支点截面处 ,受顶板开裂影 响 ,此处截面中性轴下移 ,抗弯惯性矩减小 ,从而导致 截面上的弯曲应力增加 ,顶板压应力增大 ,底板压应力减小。表 2 列出两种方案在第 2 阶段各种荷载作用下控 制截面处的应力。表 2 两种方案在第 2 阶段各种荷载作用下各控制截面处应力比较应力/ M Pa方案第 2 阶段荷载位置边跨跨中中支点中跨跨中顶板底板 顶板 底板 顶板 底板顶板 底板 顶板 底板 顶板 底板 顶板 底板维修时增加锚固齿板和体外预应力共同作用 0 . 2781 . 5402 . 147- 2 . 9492 . 425- 1 . 4090 . 8010 . 289- 1 . 4221 . 491- 0 . 6211 . 7800 . 8520 . 7782 . 193- 3 . 0143 . 045- 2 . 236维修后二期恒载和活载 方案 1维修时和维修后荷载的共同作用( = + )- 0 . 1760 . 2400 . 220- 0 . 2991 . 490- 2 . 3291 . 534- 2 . 3881 . 298- 0 . 122- 0 . 2610 . 274- 1 . 1441 . 282- 0 . 1071 . 434- 0 . 4320 . 5860 . 216- 0 . 2931 . 530- 2 . 3931 . 314- 2 . 100维修时增加的顶板预应力作用 维修时在主墩支点附近出现裂缝区域的顶板上浇注 5 cm 干轧混凝土重量 方案 2维修后二期恒载和活载 维修时和维修后荷载的共同作用( = + + )顶板底板0 . 367- 0 . 6950 . 8280 . 1940 . 5680 . 061(方案 1 - 方案 2)/ 方案 1( - ) / 注 :表中数据正数表示压应力 ,负数表示拉应力 。由表 2 可知 :在第 2 阶段各种荷载共同作用下 ,方案 1 各控制截面处的压应力储备较方案 2 的要大 ; 值 得注意的是 ,方案 2 在维修后二期恒载和活载作用下 的应力比方案 1 要小 ,主要是由于该方案顶板上浇注5 c m 干轧混凝土使主梁截面特性增大 ,从而使相同荷 载作用下引起的应力要小。表3列出了两种方案在第1 、2阶段各种荷载共同表 3 两种方案在第 1 、2 阶段各种荷载共同作用下作用下各控制截面处应力。由表 3 可知 : 在第 1 、2 阶段各种荷载共同作用下 ,方案 1 的桥梁安全储备强于 方案 2 ,其中 ,方案 1 可为控制截面提供 2 . 60 M Pa 以 上的压应力 , 而方案 2 可提供 2 . 20 M Pa 以上的压 应力。两种维修加固方案施工工艺和技术特点比较5各控制截面处应力比较M Pa两种方案的施工工艺和技术特点比较如表 4 所示。由表 4 可知 :两种方案在施工工艺和技术特点上 都有较大差别 ;若从保证结构长期安全可靠、施工相对简便易行 、施工周期短、对现有结构影响小等方面综合考虑 ,选择方案 1 增设体外预应力束筋和粘贴钢板方 案相对较好 ;若从经济性和耐久性等方面考虑 ,方案 2 增设预应力束筋和干轧混凝土铺装层更有优势。方案位置边跨跨中中支点中跨跨中顶板底板 顶板 底板5 . 2724 . 1104 . 3813 . 1318 . 6642 . 6199 . 1782 . 2736 . 4342 . 6314 . 7032 . 767方案 1方案 2方案 1/方案 2顶板底板1 . 2031 . 3130 . 9441 . 1521 . 3680 . 951202中外公路第 30 卷表 4 两种方案施工工艺和技术特点比较方案施工工艺技术特点1) 安装照明设备 、通风设备 、电源和人梯 ;2) 灌注箱梁裂缝进行封闭 ;3) 墩顶横隔板钻孔 ,直径 20 cm ;4) 开齿槽 、种植钢筋 、涂界面胶 ,浇注锚固齿板块和转向隔板 ;5) 待混凝土强度达到 100 %后 ,张拉体外束 ,要求分级、对称张拉 ;6) 凿毛 、找平 、种植钢筋、粘贴固定加强钢板 ;7) 设置体外束防震定位装置 。1 . 能够较大幅度地提高桥梁承载能力 。加固后所能达到的荷载等级与原桥设计标准及安全储备有 关 ,一般情况下可将原桥承载力提高 30 %40 %2 . 加固中人力投入少 ,施工工期短3 . 对原桥结构损伤小 ,可以做到不影响桥下净空 ,且不增加路面标高方案 11) 加工制作张拉钢板台座装置 ;2) 灌注箱梁裂缝进行封闭 ;3) 在预应力筋锚固位置的顶板上凿出深度为 3 cm 的槽口 ;4) 种植锚固螺栓钢筋 、涂界面胶 ,安置钢板台座 ;5) 张拉预应力筋 ,要求对称张拉 ;6) 种植桥面铺装层联结抗剪钢筋 ;7) 种植钢筋与铺装层钢筋网焊接为整体 ;8) 浇注钢纤维干轧混凝土 。1 . 所用主要材料与旧混凝土相同 ,凝固后具有与原结构相近的强度值 ,几乎相等的弹性模量 , 非常有 利于保证新旧混凝土体的共同工作2 . 经济实用 ,因所用材料大部分是普通材料 ,虽修 补工序稍为琐细 ,总费用仍比其他方法节省 , 经济 效益明显3 . 耐久性好 ,因为材质相同 , 所以具有与原结构相 同的使用寿命 。方案 2J . 公路 ,2006 (7) .张育明. 汾江大桥病害分析及加固技术的研究 J . 林业 建设 ,2004 (3) .黄军生. 钢筋混凝土桥梁裂缝成因综述 J . 世界桥梁 ,2002 (2) .梦表柱. 钢筋混凝土桥梁裂缝类型及分析 J . 公路 ,2002 (9) .林宝珠. 大跨径连续箱梁加固新浇混凝土裂缝原因及控制J . 重庆建筑大学学报 ,2006 (5) .J T G D60 - 2004 公路桥涵设计通用规范 S .齐武生 ,滕燕宁. 箱梁裂缝成因分析与“壁可”法加固技术 应用J . 公路交通技术 ,2004 (6) .结语6 4 5 对于预应力混凝土连续梁桥混凝土开裂问题 ,采用增设体外预应