體外索加固T構橋的索力檢測與評價

陳曉娟 左燕林

摘要:我國早期采用懸臂施工的帶掛孔T構橋梁,由于構造上的原因,以及施工工藝、預應力束的材料等,以及設計理論與計算手段的局限,使之存在一些固有的缺陷。這種型式的橋梁,經過一段時間的使用后,在T構懸臂端部,即掛孔的牛腿處都有明顯的下垂現象、支座與伸縮縫亦非常容易損壞,行車時的沖擊和橋梁振動都比較強烈。針對這種情況本文探討體外索加固T構橋的索力檢測與評價。

關鍵詞:T構橋;加固;索力檢測

1 前言

1.1 大橋概況

大橋設計全長為1090.26米,橋面凈空:凈-7+2×1.5m人行道;設計荷載為汽車-13;拖車-60;人群-3.5KN/m2,上部結構為16孔預應力鋼筋混凝土帶掛孔懸臂T構,孔徑分別為:48.13+14×71+48.13m;T構兩端懸臂長各23.5m,橫截面為單箱雙室,懸臂端部梁高2.0m,T構根部箱梁高4.0m,每跨掛孔由五片預制吊裝普通鋼筋混凝土T梁構成,掛孔跨徑為21m,梁長21.56m,于1970年5月1日舉行通車典禮,同年10月全部竣工交付使用。

1.2 大橋原設計主要情況

上部結構懸臂箱梁分9塊采用預制干接縫懸臂拼裝。懸臂箱梁預應力鋼筋采用45硅2鈦(45Si2Ti)Φ12mm冷拉時效光圓鋼筋,JM12-6錨具。每分塊接縫截面內鋼束采用在墩的兩端各以兩束分批對稱張拉,1～7號塊件預應力鋼筋張拉控制應力為675Mpa,8～9號(牛腿)塊件預應力鋼筋張拉控制應力為650Mpa,本橋箱梁采用明槽布置預應力鋼筋,因此在鋪筑橋面鋪裝前設計要求在明槽頂鋪設油毛氈防水層以加強防水性。

1.3 加固前大橋現狀結構檢測主要病害

①大橋懸臂箱梁的部分預應力筋錨頭已嚴重銹蝕(特別是9號塊的),而該橋為預應力干接縫懸拼施工,因而預應力筋錨頭銹蝕給全橋的正常使用造成嚴重的威脅和隱患。

②橋面縱向成波浪型,各孔掛梁跨中部位有明顯下沉,且橋面混凝土破損極其嚴重,使車輛過往產生較大的沖擊力。

③伸縮縫、支座破壞嚴重,伸縮縫多被泥石堵塞,掛梁固定支座(切線鋼板支座)銹蝕嚴重,活動支座(板式橡膠支座)下墊板47.5%銹蝕,有22.5%支座已移出下墊板,導致掛梁受力不正常,橫隔板破壞。

④梁體裂縫較多,掛梁腹板是在跨中產生豎向裂縫,翼板是在橫向接縫處開裂。T構箱梁主要是在腹板上緣,為縱向縫。

⑤兩岸橋臺變形較大(向前傾),溜坡及兩側擋土墻破壞較嚴重。

2 大修加固設計要點

由于該橋已使用多年,雖然經過檢測查明了一些情況,但任何檢測總是有限的,因此本橋的加固設計中充分考慮了結構性能的不確定性,注意安全、穩妥,加固措施留有余地。本橋加固設計共分兩大部分:對橋梁病害部分進行維修整治,對橋梁的承載能力進行恢復。

2.1 橋梁病害的病害維修、整治部分

①對掛梁、箱梁的裂縫采用化學灌漿,并按裂縫寬度分別處理。同時在掛梁邊梁和T構箱梁的腹板,當裂縫寬度大于0.2mm時,粘貼碳纖維布對裂縫進行約束。

②鑿除原面鋪裝,全部重新澆注40號鋼纖維混凝土(加筋),由于鋼纖維混凝土抗拉強度較高,并設有較強的鋼筋網,不僅耐磨,抗沖擊,而且對掛梁的橫向剛度有較大提高。

③拆除掛梁原固定支座(切線式鋼板支座)及活動支座(板式橡膠支座),重新安裝板式橡膠支座(帶4氟及不帶4氟的)。

④對箱梁預應力錨頭進行防銹處理:1～8號塊件在錨頭上掛鋼筋網,再澆注15cm環氧樹脂混凝土封錨。9號塊件先鑿除5cm厚原封錨混凝土,再恢復至原封頭尺寸。

⑤對掛梁(個數較少)橫隔板混凝土破損部分,先鑿除,再重新澆注。

2.2 恢復橋梁的承載能力部分,使其在原設計荷載下,可繼續使用,其內容為:

①在主墩上部鑿開孔洞,在箱梁中采用植筋技術,設置齒板,用體外束(無粘結束)對箱梁進行加固。設計中對長束采用可調式體外束錨具,是考慮到結構性能的不確定性,在需要調整束力大小時,比較方便。

②橋臺的加固采取動態設計的原則,分別在橋臺前后各加2根直徑1.2m的鉆孔灌注樁(一個橋臺共加四根樁),再澆注承臺與原承臺連接。

3 T型剛構預應力箱梁加固維修施工

針對T構箱梁原有預應力損失的病害,加固設計采用在箱梁內增設體外預應力索的方法,將預應力損失補償。

即在箱梁5#塊和8#塊設置混凝土齒板,體外索穿過0#塊,分別由5#塊齒板和8#塊齒板錨固起來,從而得到加固。

箱梁體外預應力索施工分為兩部分,第一部分包括齒板植筋的鉆孔和0#塊洞口及齒板天窗混凝土的鑿除。第二部分包括齒板鋼筋的植入,鋼筋的加工與安裝和預應力體外索錨具的預埋,以及模板的支立,混凝土的澆筑,體外預應力索的張拉等施工。

齒板混凝土施工完畢,進行體外索穿索夾戴錨具施工,待混凝土強度達到設計強度80%以上時,進行預應力索鋼絞線張拉,張拉采用T構箱梁整體對稱進行,即4套張拉設備同時進行。預應力筋張拉采用"雙控法"施工,預應力索鋼絞線張拉完畢后,將可調式錨具錨固體系壓入油脂,將固定式錨具錨固體系壓入水泥漿,同時安設體外索支架。體外預應力索鋼絞線張拉施工完畢,箱梁體外預應力施工結束。

4 大橋T構箱梁體外預應力索內力檢測

4.1 主要測試方法

本次測試體外預應力束是在該橋加固施工完成并通車運行一年后才進行的,目的是檢測各體外索力是否達到設計要求。檢測主要采用了振動加速度響應頻譜分析手段,對1#、4#、7#、10#、13#T構箱室的72根索進行了測試分析。將加速度傳感器固定在距索端部一定距離位置處,采用沖擊激勵振動方式和環境振動方式相結合的辦法,采集拉索的振動加速度響應。為獲得盡量大的振動響應,本次測試只采集拉索的面內振動信號,即將加速度傳感器安裝在拉索的面內振動平面。

選用的采樣頻率、濾波截止頻率均為1000Hz,為獲得足夠精確的頻率分辨率,每次采樣時間不少于2分鐘。

4.2 拉索振動信號分析及內力計算

由采集系統得到的加速度信號轉化為Matlab數據格式,使用Matlab的頻譜分析工具,通過快速富里葉變換,得到拉索的自功率頻譜圖,進而識別拉索的固有振動頻率,頻譜圖的頻率分辨率為0.0038,具有較高的精度,可以滿足實際工程計算的需要。

在內力分析計算中,采用有限差分離散格式,將拉索振動的偏微分方程(考慮拉索的垂度、抗彎剛度及幾何非線形的影響)轉化為僅含時間域的常微分方程,通過特征分析得到的自振頻率與拉索內力是對應的,即某一內力值,可以計算出拉索對應的各階自振頻率。

根據識別出的拉索振動頻率,由標準弦(不考慮拉索的垂度、抗彎剛度)振動頻率方程,得出頻率與軸向拉力的關系方程,將此力作為拉索的初始力,代入拉索的差分離散格式表示的特征頻率方程中計算得到拉索的振動頻率,與測試識別出的頻率相比,當兩者相差較大時,修正內力值,重新計算振動頻率,直到計算得到的頻率與測試得到的值相差很小時為止,此值即為拉索的內力值。

5 結語

5.1 體外預應力索內力測試結果

①本次檢測采用振動測試及有限差分法,對大橋T構箱梁加固體外預應力索進行了認真的檢測分析,通過頻譜分析技術和結構計算,得出了各拉索的軸向內力。

②索力測試結果表明,最大索力為1093.6KN,和張拉控制力1094KN一致;最小索力為835.7KN,是張拉控制力的76.4%,在考慮扣除正常的預應力損失后仍屬于正常預應力范圍內。

③本次測試結果反映出,全橋體外預應力索力規律性較差,建議二～三年內再次對索力進行測試和必要的索力補張拉。

5.2 體外索加固大修懸臂箱梁質量評價通過對箱室內新增預應力束及其相關構件、原有固定預應力束防銹封錨的外觀檢測,與設計要求基本相符,施工質量良好,裂縫修補和粘貼碳纖維布也均符合設計要求。同時采用相關儀器測出的預應力索力也基本上滿足設計要求的張拉力值。只是新增預應力束轉向塊的數量與加固設計施工圖存在出入,但總體施工質量達到了設計要求。

該橋經加固維修施工后,已通車營運兩年,經跟蹤觀察,使用情況總體良好。