加固連續箱梁應力監控

曹 陽

(中鐵二局股份有限公司，四川成都610031)

1 工程概述

1.1 連續梁概述

某雙線特大橋(25+40+32)m連續梁為預應力混凝土連續箱梁，范圍為46#～49#墩三跨，主墩為47#、48#墩。梁體為單箱單室、等高度、等截面箱梁結構。箱梁頂寬12 m，箱梁底寬6.7 m，梁高3 m。全橋頂板厚35～60 cm，邊跨底板厚30～60 cm，主跨底板厚30～70 cm，腹板厚40～90 cm，按直線變化。梁段分為0#～6#塊。其中6#塊為邊跨直線段；5#塊為邊跨、中跨合龍段。0#塊長10.0 m，高3 m，腹板厚0.9 m，底板厚0.604～0.7 m，頂板厚0.35～0.6 m；1#～4#塊長度為(3.5×2+3.5×2+3.5×2+3.5×2)m，采用掛籃懸臂施工。其中3#、4#節段頂板處設計預應力索：

1.1.1 頂板縱向預應力索布置

頂板在腹板及加厚段范圍內，3#節段頂板每側有2索N4、2索N5和3索N6,每側共7索；4#節段頂板每側有2索N5和3索N6，每側共5索。其中：內側N4索距頂板底部倒角28 cm；內側N5索距頂板底部倒角48 cm；外側N4索距頂板底部倒角68 cm；內側N6索距頂板底部倒角88 cm。在頂板中部(35 cm厚)范圍內，3#、4#節段有2索N14,間距226 cm。2索N14，一端錨固在小里程梁端，另一端在3#節段頂板內設上齒塊錨固，上齒塊長250 cm，距節段縫50 cm。

1.1.2 橫向預應力索布置

3#、4#節段頂板各有7索，共14索，縱向間距50 cm，位于頂板底部，距頂板底面10 cm, 距頂板頂面25 cm。

在腹板及加厚段范圍內，3#節段7索位于縱向N4、N5和N6下方；4#節段7索位于縱向N5和N6下方。

在頂板中部范圍內(35 cm厚)，3#節段后5索(靠大里程方向)位于縱向2索N14上方；3#節段前2索(靠小里程方向)及4#節段7索位于縱向2索N14下方。

橋跨布置示意圖見圖1。

圖1 橋跨布置示意

1.2 損傷狀況

由于在架設該橋45#～46#墩24 m簡支箱梁過程中，運架一體機提梁行進至就位時，造成支承于連續梁頂面的輔助滾輪支點處造成局部荷載過大，導致該連續梁局部梁段頂板出現損傷。

頂板開裂部位位于46#～47#墩25 m邊跨3#、4#節段。頂板頂面2個塌陷中心位置距離梁體端部9.85 m，距離翼緣板邊緣5.05 m；塌陷范圍長80 cm，寬30 cm。頂板底面在兩側內倒角尖各有一條裂縫，兩縫間距4.1 m，裂縫長順橋向6.5 m，距離邊跨梁端7.0～13.5 m范圍內。其余范圍混凝土均沒有受損。梁體受損示意圖見圖2和圖3所示。

1.3 補強修復施工概述

針對頂板混凝土及縱橫向預應力筋的損傷，本著安全、合理、實用的原則，按照有關規范要求制定了一系列的補強措施。

1.4 補強修復施工要點

1.4.1 施工要點

(1)在鑿除頂板受損混凝土時，應間隔分段鑿除，然后進行頂板混凝土恢復施工，待新澆筑混凝土達到強度要求后再進行下一段的鑿除工作，分段長度控制在1.5 m以內，施工過程中，應對兩腹板間距及箱梁腹板底部、底板下緣混凝土應力進行監測，以防止腹板變形開裂。

(2)在頂板破損區范圍內，原樣保留預應力筋及普通鋼筋的前提下，鑿除頂板混凝土，并清理干凈；

圖2 受損示意

圖3 3#、4#節段頂板受損范圍

(3)鑿除頂板混凝土后，在新老混凝土結合面處進行植筋處理。

(4)距橫向邊緣20 cm，預應力邊緣5 cm范圍內砼鑿除需采用人工進行，禁止風鎬作業。

(5)重新澆筑頂板混凝土和兩束N14頂板預應力束錨固齒塊，待混凝土達到一定強度張拉橫向預應力筋和縱向預應力筋。

(6)預應力筋張拉工作結束后，拆除施工設施，清理施工場地。

1.4.2 植筋工藝要點

本橋在頂板修復過程中在新老混凝土結合面處采用了植筋處理，以增強新舊結構間的結合力和抗剪能力。

植筋所采用的鋼筋均為Ⅱ級鋼筋。

植筋所采用的藥劑為專用植筋粘結劑。藥劑必須具有產品成熟、適合小間距作業、快速凝固、強度高的特點。對于拱座部位的縱向受力鋼筋，應保證鋼筋達到屈服而不被拔出。

植筋鉆孔使用的鉆機必須具有產品成熟、可導向定位、可貫通鋼筋砼中的鋼筋、震動小、不損壞結構表面、成孔快、孔徑孔深準確等特點。

植筋鉆孔前，應使用混凝土保護層厚度儀對原結構內的鋼筋、波紋管位置進行判定，盡量保證鉆孔不破壞原結構內的鋼筋。鉆孔應達到設計要求的深度。

植筋所用鋼筋為φ16鋼筋，鉆孔直徑為20 mm。施工時不得隨意增大鉆孔直徑。

植筋鉆孔時，應盡量確保鉆孔方位，以防鉆穿相鄰植筋孔。成孔后，應用圓刷子清孔，再用高壓氣體吹出灰塵，并保持孔內的干燥，然后從底部打入藥劑，旋轉植入鋼筋。為了保證施工質量，建議植筋修復施工亦由專業修復施工單位施工。

2 修補過程中受力分析

施工過程中鑿除部分頂板會導致橫向預應力束對剩余部分的腹板和底板產生不利作用。因此，評估橫向預應力對箱梁結構的影響以及評估加固過程中安全性必須采用空間實體有限元模型圖4。根據實際狀態，選取沿縱向1.5 m鑿除頂板范圍計算分析，以獲取最不利的受力狀態，保證結構的安全性。

圖4 應力分布

對最不利工況進行分析計算可知：當鑿除長度控制在1.5 m時，結構底板下緣會出現1.28 MPa的拉應力(表1)，但該值小于規范規定混凝土抗拉設計強度1.96 MPa(C55混凝土)，不會出現開裂現象，腹板上不出現拉應力(表2)。

表1 頂級沿縱向鑿除1.5 m時的應力

表2 規范規定的混凝土設計程度

由于結構上出現大面積的開裂和壓潰等塑性變形，建議對結構進行加固過程時，應合理組織施工，并采取結構保護措施，嚴格監控施工過程中各部位的應力發展和變形趨勢。

3 現場監控

在整個修補施工過程中，根據受損情況，在相應點安裝傳感器，隨時監測結構關鍵部位的應力和變形情況，及時反饋給設計、施工各方，防止結構中出現過大的應力和變形，避免結構再次出現損傷，尤其是損傷混凝土拆除、預應力張拉等階段。

3.1 監控內容

(1)變形監測包括兩側腹板距離的變化和橋跨結構整體豎向撓曲的變化。兩側腹板距離的監測主要是為了保證混凝土拆除過程和新加混凝土澆筑等階段，盡量做到腹板距離零變化，防止在腹板和底板上不產生過大的橫向附加應力。橋跨結構整體豎向撓曲變化主要是觀察新增加重量對結構自重的影響，與理論值比較可以驗證新加結構對整體的影響情況。變形監測有原單位負責。

(2)應力監測包括頂板保留部分橫向應力、頂板新加混凝土橫向應力和底板混凝土縱向橫向應力。目的是監測和防止頂板和底板中出現過大應力，造成混凝土開裂。

歡迎滿足條件的專家、作者申請加入我刊青年編委會！申請者請登陸本刊網站(http://www.yjmzyxyxb.cn/)下載登記表，填寫好后發送至yyxb1979@126.com，郵件主題標明“青年編委”。聯系人：覃老師，電話：0776-2843414。

(3)原橫向預應力束會對腹板產生不利作用，為了保證結構的安全性和完整性，須嚴格限制兩腹板之間距離的變化。建議在施工過程中分段鑿除，分段長度控制在1.5 m以內。當修復頂板開槽縱向距離大于1.5 m時，應根據現場監控數據進行具體分析。

3.2 測點布置

通過實體有限元模型計算分析可以看出，最大拉應力是在底板處，因此，傳感器布置原則是在低板受力最大拉應力位置安裝(圖5)。

圖5 測點布置(單位：cm)

3.3 監控儀器與傳感器安裝

3.3.1 測試儀器

測試儀器采用振弦式傳感器，它是目前國內外廣泛使用的一種傳感器，由于直接輸出的是自振頻率信號，因此有很強的抗干擾能力和并且受電參數影響小，零點飄移小，受溫度影響小，性能穩定可靠，耐震動，壽命長等特點。鋼弦的振蕩頻率可以由下式確定：

表3 測試結果

式中：f0為振蕩頻率；l為鋼弦有效長度；σ為應變；ρ為鋼弦密度。

我們采用的是成都金碼公司生產的振弦式表面應變計，它由應變計、安裝夾具、信號傳輸電纜等組成，其主要技術參數，量程： 1200με，靈敏度：1με，精度：≤1%F＊S符合測試要求(圖6)。

圖6 表面應變計

當被測結構物發生變形時，將帶動表面應變計產生變形，變形通過前、后端座傳遞給振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經電纜傳輸至讀數裝置，即可測出引起被測結構物變形的應變量。同時可同步測出布設點的溫度值。

3.3.2 傳感器安裝

由于傳感器安裝好壞直接影響到測試精度，所以傳感器的安裝很重要(圖7)。

圖7 傳感器安裝

3.4 測試結果與分析

根據對測試原始數據分析處理，剔除不合理數據，得到如表3，總體觀測結果與計算結果符合，當溫度降低時，由于裸露鋼筋的熱漲冷縮的作用，使得在低板中部的853號和848號處傳感器應力變大的規律，找出表中最不利的數據33.3με進行計算。根據公式：

σx=Eμε= 3.60×10^4×33.3×10^-6(max)=1.20 MPa< 1.28MPa(計算值)<1.96 MPa(設計抗拉應力)

通過以上計算分析可知，在目前的工況情況下屬于臨界安全范圍內，需隨時注意應力值變化，當測試到的應力大于規定值時，應發出報警到監理和施工單位，停止施工檢查原因。

4 結束語

該橋梁采用的加固方法合理，在理論計算控制范圍內。所以，當橋梁發生損傷進行加固時，合理的施工方法和施工步驟以及在施工過程中嚴密監控各個施工階段結構的應力變化非常重要，以免發生二次損傷。

[1] 章關永.橋梁結構試驗[M].第2版.人民交通出版社，2010

[2] JTG/F 50-2011 公路橋涵施工技術規范[S]

[3] GB 50010-2002混凝土結構設計規范[S]

[4] 劉自明,陳開利.橋梁工程檢測手冊[M]. 第2版. 人民交通出版社,2010

[5] 王國鼎,袁海慶，陳開利.橋梁檢測與加固[M].人民交通出版社,2003