預應力連續箱梁特殊檢查與施工監控研究

高 辰

(安徽省高速公路試驗檢測科研中心有限公司,安徽 合肥 230601)

0 引言

混凝土連續箱梁橋在運營多年后,會出現多種病害,嚴重影響了橋梁運營安全。為保證橋梁安全營運和盡可能延長其安全使用年限[1],對發現問題的橋梁進行特殊檢查,對橋的整體及其組成部分進行檢測、分析。同時,依據檢測結果,對橋梁進行加固,并進行施工監控。本文結合預應力混凝土連續箱梁的工程背景,通過橋梁特殊檢查,確定病害成因,制定橋梁加固方案。通過對施工過程監控以及加固后橋梁線形、動剛度數據分析,以驗證加固方案的加固效果。

1 工程概況

某高速公路預應力混凝土連續箱梁橋長110 m,跨徑布置為30 m+2×40 m。上部結構采用預應力混凝土單箱單室連續箱梁,采用支架現澆施工工藝。橋面寬度全寬16 m,箱梁底寬度為8.15 m,梁高2.4 m,跨中處截面頂板厚度為0.3 m,底板厚度為0.3 m,腹板厚度為0.5 m。本橋各鋼束只設置豎彎,三跨箱梁的頂板束設置8束;三跨箱梁底板束設置10束;三跨箱腹板板束設置10束。

在檢查中發現第3跨箱梁底板出現多道橫向裂縫,隨即開展橋梁特殊檢查。

2 特殊檢查內容及結果

2.1 外觀檢查內容及結果

本次橋梁外觀檢查共發現病害198處。第3跨病害數目較多,占比達56%。結合箱梁內外病害位置,發現第3跨3條由底板延伸至兩側側板的U型全截面貫穿裂縫(L2,最大裂縫寬0.33 mm;L4,最大裂縫寬0.53 mm;L6,最大裂縫寬0.31 mm),3條底板橫向裂縫(L1,裂縫長度2.1 m,最大裂縫寬0.35 mm;L3,裂縫長度1.6 m,最大裂縫寬0.20 mm;L5,裂縫長度2.8 m,最大裂縫寬0.50 mm)。

選取存在滲水且全截面貫穿裂縫L2,L4,L6進行底板取芯。取芯結果表明,3處裂縫均貫穿底板。根據相關規范的單項控制指標[2],第1-3跨(一聯)標度評定為5。

2.2 實體檢查內容及結果

底板及腹板尺寸檢查。針對病害較為嚴重的第3跨,對該跨的底板和腹板進行厚度測量。底板尺寸偏差超允許偏差,整體厚度偏薄。

2.3 預應力系統檢查內容及結果

預應力系統檢查一直是橋梁檢測工作中的難點,本次檢測選取損傷相對較小的檢測方式進行檢測。

1)預應力管道內部缺陷檢測。采用地質透視儀進行預應力孔道定位,超聲成像掃描儀檢查預應力孔道內部缺陷。檢測發現右腹板鋼束W3c和W4c之間不密實,且鋼束W3c大部分灌漿不密實,并進行充氣驗證。

2)預應力鋼束外觀檢查。采用內窺鏡對孔道內部進行檢查,鋼束W3c內部鋼絞線局部位置處存在點狀銹跡,預應力管道內壁也出現銹蝕。鋼束W4c鋼絞線存在銹蝕現象,預應力管道內壁銹蝕嚴重。

3)預應力連接器檢查。通過內窺鏡檢查鋼束W3c連接器(見圖1),可發現該位置灌漿不密實,此處鋼絞線有19根,存在2根鋼絞線與連接器脫落。鋼束W4c連接器位置灌漿也不密實,連接器表面明顯銹蝕。

2.4 橋梁動剛度檢查內容及結果

在橋梁各跨的L/4,L/2,3L/4點分別布設豎向速度傳感器,以測試橋梁固有頻率、振型和阻尼比。1階頻率2.930 Hz、理論值2.965 Hz;2階頻率4.736 Hz、理論值4.320 Hz;3階頻率6.738 Hz、理論值6.311 Hz;根據相關規范[3]可知,本橋第1階豎向基頻略小于理論值,第2階,3階豎向基頻與理論計算結果相當,其對應的標度分別為3,2,2,表明橋梁剛度存在一定衰減。

3 施工控制

3.1 加固方案

鑒于本橋的主要病害為第3跨下撓、底板U型貫通裂縫以及預應力損失等,采用體外預應力加固能較大幅度提高原來截面的抗彎承載能力。

在第3跨箱室內布置4根16φs15.2短束(TW1-1/2,TW2-1/2);在箱室外側腹板單側上下布置4根16φs15.2長束(TW3-1/2,TW4-1/2),鋼束標準強度為fpk=1 860 MPa,箱室內外均是雙側對稱布置。具體如圖2所示。

3.2 監控內容

1)主梁線形。線形測點布置在第3跨4分點位置處,共計5個測點。在體外預應力張拉過程中及張拉后的4個月內進行線形測量,張拉后的4個月內測量分為7次,分別是張拉后第3天1次、第7天1次、第15天1次、第1個月1次、第2個月1次、第3個月1次、第4個月1次。

2)主梁應力。在第3跨中及大、小里程間隔50 cm位置處布設三個測試斷面,當測試斷面有橫向裂縫時,應對測試斷面進行適當調整,降低裂縫對應力測試的影響。

3)主梁裂縫寬度。選擇U型貫穿裂縫L4,L6進行寬度監測,檢測張拉完成后裂縫閉合情況。

4)主梁動剛度。加固完成后在各跨的L/4,L/2,3L/4點分別布設豎向速度傳感器,以測試橋梁固有頻率、振型和阻尼比。

4 結果與分析

1)線形監控結果分析。以錨固塊、轉向塊安裝完畢,體外預應力束開始張拉之前為結構變形的起點至TW4鋼束張拉完成后,對橋梁線形進行測試。加固完成后對主梁線形測點的數據進行整理分析后,得出施工階段和加固完成后的第3跨各測點撓度實測值,并與有限元軟件計算得出的撓度理論值進行比較分析﹐結果見表1。

表1 主梁線形監測及計算結果對比表

由上述可知,體外預應力張拉過程中及張拉后的監測過程中第3跨整體上抬。在體外預應力加固階段[4],在張拉TW1體外預應力鋼束后,跨中已出現上抬,上抬了2.6 mm;張拉至TW2后,跨中繼續上抬,上抬值為4.7 mm,直至全部預應力鋼束張拉完成,跨中累計上抬10.3 mm。同時與圖3,圖4健康監測系統數據對比可知,張拉過程中健康監測數據與實際測量數據基本一致。考慮檢測過程環境的影響,本次檢測橋梁上抬值與設計相符。

由表1,圖3,圖4可知,在施工過程結束后的跟蹤觀測過程中,各測點撓度均有所變化,考慮到檢測過程環境的影響,基本與設計值相符,同時健康監測系統第3跨跨中上抬數據與實際測量數據基本一致。

綜上所述,實測值與理論值變化趨勢及變化值有較好的吻合,跨中最大上抬值為12.3 mm,由此可見,加固后橋面線形得到了較好的改善[5]。

2)應力結果分析。以錨固塊、轉向塊安裝完畢,體外預應力束開始張拉之前為結構應力的起點至TW4鋼束張拉完成,對橋梁應力進行測試,加固完成后對應力測點的數據進行整理分析后,得出施工階段第3跨各測點應力實測值,并與有限元軟件計算得出的應力理論值進行比較分析﹐結果如表2所示。

由表2可知,在體外預應力加固施工階段,各個施工階段的控制截面應力實測值和有限元模擬計算值變化規律一致,箱梁基本處于全截面受壓狀態[6]。

在整個張拉過程中梁底壓應力增大,應力理論值與實測值的最大誤差為0.87 MPa,實測結果與理論值變化趨勢及變化值均吻合較好,各面基本處于全截面受壓狀態,由此可見,該橋加固后,在一定程度上提高了壓應力儲備。說明該橋施工對應力控制效果良好。

3)裂縫寬度結果分析。除裂縫寬度監控位置外,其他裂縫在體外預應力加固前已進行修補。加固完成后L4裂縫寬度閉合0.08 mm,L6裂縫寬度閉合0.03 mm。

4)加固后橋梁動剛度結構。橋梁加固后,1階頻率3.104 Hz、2階頻率4.824 Hz、3階頻率6.785 Hz。根據相關規范可知,本橋加固后第1,2,3階豎向基頻與理論計算結果相當,其對應的標度分別為2,1,2,通過對加固前后橋梁動剛度對比可知,加固后橋梁動剛度有一定提升。

5 結語

依托于某預應力混凝土連續箱梁病害特殊檢查及體外預應力加固項目,對橋梁特殊檢查及加固過程施工監控進行研究,取得以下結論:

1)通過對橋梁特殊檢查,全橋評為5類。針對預應力系統檢查,發現預應力孔道存在局部不密實現象,部分預應力鋼筋未受力。由此可知,原橋主梁病害主要是由預應力損失所致。

2)橋梁撓度監控表明在體外預應力張拉各個階段撓度增量正常,撓度增量基本大于理論計算值,與健康監測系統數據相符;后期的跟蹤觀測過程中,撓度變化較小,與健康監測系統數據相符。說明施工效果達到預期設計效果。

3)在體外預應力TW1,TW2,TW3,TW4張拉過程中,橋梁控制截面的混凝土應力變化正常,全截面受壓,實測值和理論值的整體編號趨勢基本一致,最大偏差在合理范圍內,有效保證了結構處于安全狀態[7]。

4)加固完成后,橋梁動剛度較加固前有所提升。