體外索加固T構(gòu)橋的索力檢測與評價
2010-11-11 來源：網(wǎng)絡(luò)
1、前言
1.1、大橋概況
井岡山大橋位于江西省吉安市市區(qū)，橫跨江西“五大水系”的最大河流——贛江，大橋設(shè)計全長為 1090.26米，橋面凈空：凈-7+2×1.5m人行道；設(shè)計荷載為汽車-13；拖車-60；人群-3.5KN/m2.上部結(jié)構(gòu)為16孔預應力鋼筋混凝土帶掛孔懸臂T構(gòu)，孔徑分別為：48.13+14×71+48.13m；T構(gòu)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(gòu)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(gòu)成，掛孔跨徑為21m，梁長21.56m.井岡山大橋于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(shè)計主要情況井岡山大橋上部結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shè)計要求在明槽頂鋪設(shè)油毛氈防水層以加強防水性。
1.3、大橋結(jié)構(gòu)特點評述吉安井岡山大橋上部結(jié)構(gòu)為預制節(jié)塊干接縫懸拼施工的帶掛孔預應力混凝土T構(gòu)，在二十世紀七十年代初期尚屬技術(shù)先進的橋型；該橋跨徑71m、全長1000余米，亦屬大型橋梁。由于此種橋型上部結(jié)構(gòu)的懸臂部分與橋墩固結(jié)，其力學性質(zhì)仍屬靜定結(jié)構(gòu)，從當時的橋梁設(shè)計理論、設(shè)計計算手段以及施工能力等方面來說，都是最佳和先進的橋梁結(jié)構(gòu)型式。
但是，我國早期采用懸臂施工的帶掛孔T構(gòu)橋梁，由于構(gòu)造上的原因，以及施工工藝、預應力束的材料等，以及設(shè)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(jīng)過一段時間的使用后，在T構(gòu)懸臂端部，即支承掛孔的牛腿處都有明顯的下垂現(xiàn)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。井岡山大橋的支座與伸縮縫雖經(jīng)多次維修更換，都時隔不久后損壞。其主要原因就是：掛孔與T構(gòu)懸臂連接處，因結(jié)構(gòu)原因而變形復雜、變形量大，并伴有旋轉(zhuǎn)，導致伸縮縫間隙呈上窄下寬的八字形，加上夏季高溫使得伸縮縫受擠壓損壞。而牛腿處（即懸臂端部）下垂較大的原因是多方面的，主要是混凝土的收縮徐變，以及部分預應力損失所致。所以，預應力損失是影響預應力橋梁結(jié)構(gòu)安全的最主要因素之一，這種現(xiàn)象在懸臂法施工的預應力橋梁上尤為明顯，特別是早期采用預制節(jié)塊懸臂施工的預應力橋梁。
而井岡山大橋上部結(jié)構(gòu)采用的就是早期懸臂法施工工藝：預制節(jié)塊、干接縫懸臂拼裝后施加預應力，相鄰塊件的兩端面直接貼合，因而不易保證接縫密合，易受水氣侵襲，且容易產(chǎn)生局部應力集中現(xiàn)象，對橋梁的整體性、以及預應力鋼筋受大氣侵襲而銹蝕都不利。由于施工過程中，各塊件間未留任何濕接縫，則在拼裝中發(fā)現(xiàn)位置有偏差時亦難以調(diào)整，其塊件接縫處應力傳遞情況較復雜，整體性也差。另外，懸臂拼裝時采用明槽布置鋼束，其工程數(shù)量也增大許多。
帶掛孔的T構(gòu)橋，由于墩柱兩側(cè)的不平衡力矩，使得墩頂箱室受力復雜、局部應力集中并過大。另外，還存在一個顯著缺點，就是橋面接縫多，且大多數(shù)接縫都在懸臂端部。由于懸臂的撓度將使接縫處形成折角，對該位置上的支座、伸縮縫都極為不利，亦影響行車的平穩(wěn)和舒適。尤其是預應力混凝土的收縮、徐變、鋼筋的松馳以及日照的影響等，都會使懸臂端的撓度變化日益發(fā)展。
1.4、加固前大橋現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)檢測主要病害
①井岡山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(chǎn)生較大的沖擊力。
?、凵炜s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。
?、芰后w裂縫較多，掛梁腹板是在跨中產(chǎn)生豎向裂縫，翼板是在橫向接縫處開裂。T構(gòu)箱梁主要是在腹板上緣，為縱向縫。
?、輧砂稑蚺_變形較大（向前傾），溜坡及兩側(cè)擋土墻破壞較嚴重。
2、大修加固設(shè)計要點由于該橋已使用多年，雖然經(jīng)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(shè)計中充分考慮了結(jié)構(gòu)性能的不確定性，注意安全、穩(wěn)妥，加固措施留有余地。
本橋加固設(shè)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
?、賹炝骸⑾淞旱牧芽p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(gòu)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。
?、阼彸驿佈b，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(shè)有較強的鋼筋網(wǎng)，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(wǎng)，再澆注15cm環(huán)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。
?、輰炝海▊€數(shù)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(shè)計荷載下，可繼續(xù)使用，其內(nèi)容為：
?、僭谥鞫丈喜胯忛_孔洞，在箱梁中采用植筋技術(shù)，設(shè)置齒板，用體外束（無粘結(jié)束）對箱梁進行加固。設(shè)計中對長束采用可調(diào)式體外束錨具，是考慮到結(jié)構(gòu)性能的不確定性，在需要調(diào)整束力大小時，比較方便。
?、跇蚺_的加固采取動態(tài)設(shè)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(gòu)預應力箱梁加固維修施工針對T構(gòu)箱梁原有預應力損失的病害，加固設(shè)計采用在箱梁內(nèi)增設(shè)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(shè)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(shè)計強度80%以上時，進行預應力索鋼絞線張拉，張拉采用T構(gòu)箱梁整體對稱進行，即 4套張拉設(shè)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(diào)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(shè)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(jié)束。
4、大橋T構(gòu)箱梁體外預應力索內(nèi)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(shè)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(gòu)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(huán)境振動方式相結(jié)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(nèi)振動信號，即將加速度傳感器安裝在拉索的面內(nèi)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(nèi)力計算將由采集系統(tǒng)得到的加速度信號轉(zhuǎn)化為Matlab數(shù)據(jù)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)力是對應的，即某一內(nèi)力值，可以計算出拉索對應的各階自振頻率。
根據(jù)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，得出如下的頻率與軸向拉力的關(guān)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(nèi)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(nèi)力值。
4.3、體外束內(nèi)力測試結(jié)果及分析按照上述計算方法，分析了各索的內(nèi)力值，結(jié)果如表1和表2所示。
拉索編號規(guī)則：各室內(nèi)的體外束從上游至下游依次編號為1、2、3、……、8.計算依據(jù)是有關(guān)拉索的設(shè)計圖紙及各拉索的施工控制值。
5、結(jié)語
5.1、體外預應力索內(nèi)力測試結(jié)果
?、俦敬螜z測采用振動測試及有限差分法，對井岡山大橋T構(gòu)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(shù)和結(jié)構(gòu)計算，得出了各拉索的軸向內(nèi)力。
?、谒髁y試結(jié)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(nèi)。
?、郾敬螠y試結(jié)果反映出，全橋體外預應力索力規(guī)律性較差，建議二～三年內(nèi)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(zhì)量評價通過對箱室內(nèi)新增預應力束及其相關(guān)構(gòu)件、原有固定預應力束防銹封錨的外觀檢測，與設(shè)計要求基本相符，施工質(zhì)量良好，裂縫修補和粘貼碳纖維布也均符合設(shè)計要求。同時采用相關(guān)儀器測出的預應力索力也基本上滿足設(shè)計要求的張拉力值。只是新增預應力束轉(zhuǎn)向塊的數(shù)量與加固設(shè)計施工圖存在出入，但總體施工質(zhì)量達到了設(shè)計要求。
該橋經(jīng)加固維修施工后，已通車營運兩年，經(jīng)跟蹤觀察，使用情況總體良好。
