青島港一期油碼頭鋼引橋預(yù)應(yīng)力卸載技術(shù)*

劉海祥，柯敏勇，葉小強，陳 亮，龍志勇，別立學(xué)，安松山

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，江蘇 南京 210029；3.山東省港口集團青島港集團有限公司,山東 青島 266002)

青島港一期油碼頭是一座引橋式碼頭(圖1),于1974年2月開工，運營至2009年已有35年。由于受鹽霧以及油碼頭化學(xué)品酸性物質(zhì)的影響，鋼引橋下弦桿、腹桿、橫梁及連接板等構(gòu)件腐蝕嚴重[1](圖2)。油碼頭有管線、油庫以及消防等重要配套，難以停產(chǎn)或短期替代，相關(guān)單位提出“再使用十年”的要求。鋼引橋腐蝕嚴重，承載能力、安全性下降，如果在運行荷載不中斷的情況下，再疊加施工荷載、切割打磨受損構(gòu)件、焊接熱處理連接等影響，安全風(fēng)險較高。經(jīng)研究提出，先對鋼引橋，特別是下弦桿及其連接件進行鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力卸載加固，然后再常規(guī)加固，且預(yù)應(yīng)力卸載措施作為永久結(jié)構(gòu)的一部分，既作為常規(guī)加固前的措施，又作為結(jié)構(gòu)永久性安全性儲備。鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力卸載加固設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)包括預(yù)應(yīng)力布索方案、端部錨固、轉(zhuǎn)向塊、防振措施設(shè)計等[2-6]。

圖1 引橋

圖2 下弦桿下部腐蝕情況

1 工程概況

鋼引橋共7跨，為三角形斷面桁架橋，跨度為48.8 m，高7.0 m，主桁內(nèi)寬6.2 m，橋面系中間布置2.6 m寬的人行通道及檢修道，兩側(cè)均為管線帶。主桁兩側(cè)各伸出1.97 m長的懸臂橫梁，上面布置管線及檢修道。每跨橋8個節(jié)間長各6.1 m，每節(jié)間設(shè)一根長10.14 m的橫梁，橫梁在主桁內(nèi)為1.08 m高的王字型組合截面，在主桁外為0.5 m高的工字型截面。鋼引橋桁架如圖3所示。

圖3 鋼引橋桁架(單位：mm)

2 腐蝕狀況及處理方案

2007年1月的調(diào)查與檢測工作表明，管道支架和平聯(lián)腐蝕最嚴重，屬腐蝕破壞等級，建議予以更換；下弦桿底部腐蝕嚴重，多數(shù)桿件整個截面的13以上完全失去強度，部分與下弦桿相接的連接板腐蝕嚴重，建議對下弦桿及連接板等進行等強加固；部分橫梁鋼板出現(xiàn)了層裂，建議以桁架梁形式進行等強加固；上弦桿涂層部分剝落嚴重、鋼管銹蝕，腐蝕程度為輕微腐蝕；腹桿(斜桿、吊桿及立桿)腐蝕較嚴重，建議補強。全橋涂層經(jīng)過多次施工，層數(shù)和厚度不一，相關(guān)測試結(jié)果離差較大，建議鏟除原涂層，涂刷新涂層。焊縫在雨水侵蝕或霧水匯集處，防腐涂層起皮剝離，焊縫周邊起銹，氧化物呈紅褐色，建議徹底噴砂除銹補強并防腐。

2008年，根據(jù)“再使用十年”的要求，參照國內(nèi)相關(guān)的港口和橋梁設(shè)計規(guī)范，基于維持原有設(shè)計荷載等級、確保結(jié)構(gòu)安全、使用性目標，提出了“引橋構(gòu)件焊接補強加固”和“重做防腐體系”的加固設(shè)計原則，即對各桿件坑蝕嚴重和成片的部位采用焊接鋼板，恢復(fù)桿件截面尺寸和結(jié)構(gòu)的承載能力。

2009年，加固設(shè)計方案及實施方案論證過程中，發(fā)現(xiàn)加固過程中結(jié)構(gòu)安全性矛盾突出。加固過程中，施工荷載包括腳手架、施工機具、新增加固鋼板、人群荷載等；下弦桿、腹桿、連接板等腐蝕嚴重，下弦桿底部腐蝕嚴重構(gòu)件變?yōu)槠氖芾瓨?gòu)件，構(gòu)件及結(jié)構(gòu)承載力下降嚴重；施工過程中，對腐蝕構(gòu)件進行打磨、除銹、局部乙炔切割修整、焊接等操作，結(jié)構(gòu)原有脆弱的穩(wěn)定體系被打破的風(fēng)險極高；油碼頭對安全、環(huán)保要求更高于一般工程。需要一種輕型的臨時加固措施，以提高施工期安全性。

2009年，為保證整個加固工程過程中安全可靠性及加固后效果，提出了在恢復(fù)截面加固之前進行“鋼引橋預(yù)應(yīng)力卸載加固”。通過對鋼引橋下弦桿受拉構(gòu)件施加預(yù)壓應(yīng)力，降低腐蝕嚴重的下弦桿受拉應(yīng)力，抵抗部分恒載和后期施工荷載，提高結(jié)構(gòu)施工期安全性。在實施整個加固工程之后，將預(yù)應(yīng)力卸載措施作為鋼引橋結(jié)構(gòu)的永久構(gòu)件之一，使其和下弦桿共同承擔(dān)運行中的荷載，降低了下弦桿的拉應(yīng)力，可以增加結(jié)構(gòu)安全儲備，對鋼引橋安全運行以及后期正常維護提供保障。鋼引橋預(yù)應(yīng)力卸載加固快速實施后，常規(guī)加固順利完成。

3 預(yù)應(yīng)力材料及布置方案

采用柳州歐維姆機械股份有限公司生產(chǎn)的高密度聚乙烯(HDPE)包裹氧噴涂鋼絞線，該鋼絞線采用日本高環(huán)保無污染高壓靜電噴涂技術(shù)進行防腐處理，其防腐性能優(yōu)于鍍鋅鋼絞線；HDPE性能符合CJT 3078—1998《建筑纜索用高密度聚乙烯塑料》的要求；鋼絞線抗拉強度σb≥1 860 MPa，其他性能不低于GBT 5224—1995《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》的要求。

預(yù)應(yīng)力筋采用折線形布置，見圖4，距離下弦桿中軸線101 cm，轉(zhuǎn)向塊設(shè)在2#、7#節(jié)點，3#～6#節(jié)點設(shè)鋼絞線限位塊。錨固、張拉端設(shè)置在下弦桿端部，鋼絞線通過端橫梁鉆孔通過。鉆孔前，先對橫梁腹板進行局部加強。兩根下弦桿分別布置4根鋼絞線，共8根；同一下弦桿，對稱錨固于下弦桿件端部兩側(cè)。在自重、運行荷載作用下，下弦桿各節(jié)桿件內(nèi)力計算結(jié)果分別見圖5a)和表1，范圍為416.9～893.3 kN；預(yù)應(yīng)力卸載后，確保最大受力桿件內(nèi)力卸載不小于原桿件內(nèi)力的13,最小受力桿件(邊桿)仍為受拉桿件。經(jīng)計算分析，確定單根鋼絞線錨下75 kN，每根下弦桿處施加300 kN預(yù)應(yīng)力，全橋預(yù)應(yīng)力共600 kN。預(yù)應(yīng)力作用各桿件軸力變化量，分別見圖5b)和表1，在預(yù)應(yīng)力作用下，各下弦桿件受力均下降約300 kN,且內(nèi)力仍為拉力。

圖4 預(yù)應(yīng)力筋布置(單位：mm)

圖5 鋼引橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算云圖(單位：kN)

表1 下弦桿軸力計算結(jié)果

鋼絞線直徑15.24 mm，公稱面積134.4 mm2，標準抗拉強度1 860 MPa，在一般工程中張拉值可按75%標準抗拉強度設(shè)計，控制值為131.1 kN,超張拉103%時，張拉值為135.2 kN。本項目中采用多根鋼絞線，每根鋼絞線采用較低的控制值，具有以下優(yōu)點：1) 從強度方面考慮安全系數(shù)較大。由8根鋼絞線承擔(dān)600 kN預(yù)應(yīng)力，可以承擔(dān)更多的施工荷載。2)提高了安全可靠度。8根鋼絞線運行過程中產(chǎn)生斷絲損傷破壞的風(fēng)險遠低于4根鋼絞線產(chǎn)生斷絲的風(fēng)險。3)提高了結(jié)構(gòu)的剛度。更多的鋼絞線截面，可以在截面修復(fù)過程中使剛度臨時減小時，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形。4)布置多根鋼絞線便于換索維護。

4 端部錨固塊及錨具設(shè)計

預(yù)應(yīng)力卸載錨固端設(shè)在下弦桿端部，采用厚10 cm鋼板制成Z形錨固塊，錨固塊對稱安裝于下弦桿端部。鋼絞線在水平投影、豎直投影均是折線，屬于空間折線布置，為保證錨具端面與鋼絞線垂直。通過三維設(shè)計，確定了錨固塊相應(yīng)部位斜面參數(shù)；為增大構(gòu)件抗彎能力，由斜面設(shè)置過渡面至根部，過渡段長、寬均為100 mm。鋼絞線孔道直徑25 mm，上、下設(shè)置，孔間距33 mm。設(shè)計方案見圖6，對稱制作兩件安裝時中間對接焊。錨固塊承受鋼絞線拉力，單側(cè)設(shè)計150 kN。鋼絞線孔處抗剪驗算、過渡面與斜面交線所在截面進行抗彎驗算、過渡面根部抗剪驗算及中部受拉應(yīng)力結(jié)果見表2，錨固塊受力結(jié)果表明錨固件滿足強度要求。

本工程采用單端預(yù)應(yīng)力張拉，一側(cè)為固定端(錨固端)，一側(cè)為張拉端。固定端采用握裹式錨具(擠壓錨固)，張拉端采用夾片式錨具(單孔夾片錨具YJM15-1)。

5 轉(zhuǎn)向塊及限位塊設(shè)計

轉(zhuǎn)向塊采用厚度為50 mm鋼板，兩側(cè)直徑分別為25、40 mm，轉(zhuǎn)向孔采用旋轉(zhuǎn)的圓弧面過渡，圓弧半徑147 mm,如圖7a)所示。限位塊采用厚度為20 mm鋼板，限位孔孔徑25 mm。轉(zhuǎn)向塊和限位板均須焊接于節(jié)點底板下面，焊縫采用圍焊，焊腳高度為10 mm，要求中心線偏差小于5 mm。若出現(xiàn)節(jié)點處的底板銹蝕嚴重的情況，則須更換底板后再焊接安裝轉(zhuǎn)向塊及限位塊,如圖7b)所示。

圖7 轉(zhuǎn)向塊及限位塊(單位：mm)

轉(zhuǎn)向塊是設(shè)置在折線轉(zhuǎn)彎點處的構(gòu)件，需要滿足功能和連接要求。功能上，需要滿足順暢、摩阻小、強度等要求；連接上，焊縫強度需要滿足橫向(垂直于橋梁縱向)、側(cè)向(同橋梁縱向)力作用要求。

轉(zhuǎn)向塊受構(gòu)造控制，本身應(yīng)力水平較低，對焊縫連接強度進行受力分析和強度驗算。轉(zhuǎn)向塊橫向力由同一根下弦桿錨固端兩側(cè)鋼絞線內(nèi)力偏差產(chǎn)生或由極限狀態(tài)某根鋼絞線斷裂產(chǎn)生。根據(jù)轉(zhuǎn)向點鋼絞線水平面內(nèi)轉(zhuǎn)角0.055(弧度)，預(yù)應(yīng)力單側(cè)設(shè)計值150 kN，當(dāng)單側(cè)鋼絞線單獨受力時，橫向最大不平衡力8.3 kN。轉(zhuǎn)向塊側(cè)向力由于鋼絞線與轉(zhuǎn)向塊間的摩阻力產(chǎn)生，轉(zhuǎn)彎角度為0.157(弧度)，同一根下弦桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計值為300 kN。預(yù)應(yīng)力鋼絞線與轉(zhuǎn)向塊(孔道)之間摩擦引起的應(yīng)力損失由兩部分組成：1)在折線處垂直擠壓力造成的鋼絞線與管道的摩阻損失；2)管道位置偏差和不平整造成的摩阻損失。預(yù)應(yīng)力損失表達式為：

σs4=σk[1-e-(μθ+kx)]

(1)

式中：σs4為預(yù)應(yīng)力摩阻損失(MPa)；σk為預(yù)應(yīng)力錨下的張拉控制應(yīng)力(MPa)；θ為力筋張拉端曲線的切線與計算截面曲線的切線之夾角，稱為曲線包角；x為從張拉端至計算截面的管道長度，一般可取在水平面上的投影長度；μ為力筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)，取0.3(偏安全)；k為考慮管道對其設(shè)計位置的偏差系數(shù)。

現(xiàn)曲線包角即為轉(zhuǎn)彎角度0.157(弧度)，同一根下弦桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計值為300 kN，摩阻損失為14 kN。

對焊縫進行驗算，縱向摩阻力作用下，焊縫折算應(yīng)力58 MPa，橫向極限狀態(tài)下焊縫折算應(yīng)力12 MPa。綜上，轉(zhuǎn)向塊焊縫強度滿足要求。

節(jié)點(轉(zhuǎn)向塊處)局部受力分析顯示：轉(zhuǎn)向塊與2#、7#節(jié)點底部托板連接，轉(zhuǎn)向塊向節(jié)點主要傳遞豎向壓力31.3 kN，縱向水平力(由摩阻力產(chǎn)生)14 kN。該托板與橫梁、下弦桿連接板連接，厚度為16 mm。經(jīng)分析，節(jié)點托板及其附近在轉(zhuǎn)向塊壓力、水平力作用下，僅焊縫處應(yīng)力與焊縫一致，其余部位應(yīng)力水平較低。

6 鋼絞線防腐及減振措施

鋼絞線本身具有3層防腐，從內(nèi)向外分別為鋼絲表面防護、鋼絲黃油保護、塑料皮包裹。由于在施工過程中，塑料皮常有開裂、破損現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)后利用紗布浸漬結(jié)構(gòu)膠包裹，防止海水、水汽侵入。轉(zhuǎn)彎點及錨固點防腐：轉(zhuǎn)彎點處鋼絞線與轉(zhuǎn)彎塊間作用力較大，張拉、運行過程中均存在磨損現(xiàn)象，采用黃油、紗布、膠水綜合防護處理；錨具處于高應(yīng)力工作狀態(tài)，也是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，如果發(fā)生腐蝕或者質(zhì)量問題而失效，將會直接影響工程質(zhì)量，預(yù)應(yīng)力筋張拉完成后，將裸露的預(yù)應(yīng)力筋及錨具，運用PVC防護套管罩住，PVC套管內(nèi)灌注防腐油脂，見圖8。鋼絞線端部保留可作為后期應(yīng)力調(diào)整、換索使用。

圖8 端部鋼絞線及錨具防腐方案(單位：mm)

防止體外索發(fā)生過大的振動是設(shè)計中一個關(guān)鍵問題，它會導(dǎo)致其在錨固點(或轉(zhuǎn)向塊處)發(fā)生反復(fù)的彎曲變形，引發(fā)疲勞破壞；同時過大的振動會引起體外所內(nèi)鋼絲的微動，鋼絲發(fā)生微動磨損最后導(dǎo)致體外索的微動疲勞破壞。對于青島港油碼頭鋼引橋預(yù)應(yīng)力筋存在振動現(xiàn)象，根據(jù)JTGT J22—2008《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》：體外索的自由長度超過10 m時應(yīng)設(shè)置定位裝置(減振器)；根據(jù)JTGT D60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南》：連接器連接若干拉索可以減振。由此設(shè)計發(fā)明了連接器，見圖9，將4根鋼絞線連接在一起，形成一個整體，每個節(jié)段即每6.1 m設(shè)置一處。

圖9 減振連接器構(gòu)造(單位：mm)

2019年，經(jīng)過系統(tǒng)加固后，鋼引橋平穩(wěn)運行了10年，實踐證明鋼引橋加固方案合理，施工便捷，資金投入小，耐久性可靠。

7 結(jié)語

1)在管桁下弦桿下部折線型布置預(yù)應(yīng)力索，桿端兩側(cè)對稱錨固，錨固件為空間設(shè)計，該方案受力明確、實施方便。

2)以腐蝕程度及不改變構(gòu)件內(nèi)力符號(正負)、滿足運行荷載及臨時荷載為條件，確定鋼絞線預(yù)應(yīng)力大小設(shè)計范圍，可以滿足結(jié)構(gòu)的安全性，設(shè)計依據(jù)合理。

3)為滿足結(jié)構(gòu)耐久性、使用性，采用新型防腐鋼絞線，并對腐蝕缺陷點采用防護，可以有效地確保預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)使用壽命。

4)設(shè)計采用并排4根鋼絞線的連接器，緩解了初期單根鋼絞線振動明顯的現(xiàn)象。

5)預(yù)應(yīng)力卸載加固技術(shù)是一種輕型快捷加固技術(shù)，在腐蝕嚴重的鋼引橋結(jié)構(gòu)大修、搶修前，小幅增加結(jié)構(gòu)荷載，作為可行的安全準備措施。