預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋病害分析及改造

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋病害分析及改造

1壓同步技術(shù)在梁橋加固中的應(yīng)用近年來，預(yù)制混凝土連續(xù)墻樁橋在中國的大型交叉口應(yīng)用廣泛。但由于早期對連續(xù)彎箱梁橋設(shè)計與施工上的認識不足,致使其在施工及營運過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些病害,如某些彎橋在驗收或運營階段出現(xiàn)支座變形、脫空,彎橋出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)過大而導(dǎo)致整體翻轉(zhuǎn)和滑移等病害。PLC液壓同步技術(shù)是通過液壓千斤頂,在不改變原橋形態(tài)的前提下,將橋梁安全、平穩(wěn)地頂升至預(yù)定高度的技術(shù)。該技術(shù)在國外的使用時間較長,在國內(nèi)最初僅用于單片預(yù)制梁的架設(shè)和移位。隨著該技術(shù)的發(fā)展與既有橋梁加固改造的需求,其應(yīng)用范圍不斷擴展。目前已成功應(yīng)用于既有橋梁的支座更換及整體頂升工程中,如天津獅子林橋改造工程(整體抬升1.27m)、上海南浦大橋引橋改造工程(整體抬升0.698～5.782m)等項目。但在國內(nèi)、外將該技術(shù)應(yīng)用于連續(xù)彎箱梁橋的頂升糾扭改造中尚不多見。鑒于上述問題,本文以上海市A1、A30立交中S1、S3匝道橋為實例,在對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎箱梁橋病害原因進行分析的基礎(chǔ)上,從病害彎橋的改造設(shè)計、同步頂升施工及改造效果評估上進行分析,提出采用不對稱布頂方式進行同步頂升,并對箱梁進行糾扭,最后運用PLC同步頂升系統(tǒng)測定支座反力,以了解改造效果。2s1、s1匝道橋A1、A30立交為互通三層式樣,建于1997年,位于上海市迎賓高速公路與遠東大道交匯處。立交中S1、S3匝道橋(見圖1)總長分別為664.1m和612.1m,計算荷載為汽車-超20級,驗算荷載為掛車-120。上部結(jié)構(gòu)采用六跨一聯(lián)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,采用單箱雙室截面,梁高1.8m。每跨設(shè)1道跨中橫隔板,墩頂設(shè)橫隔梁。中、邊墩處梁下分別布置1個、2個盆式橡膠支座。3全箱梁頂升系統(tǒng)改造2008年6月對S1、S3匝道橋箱梁橫坡進行檢測,由檢測結(jié)果可知,多數(shù)橋跨箱梁外側(cè)比內(nèi)側(cè)低,S3匝道橋情況略好于S1匝道橋。由于彎箱梁外側(cè)本身設(shè)有超高,外側(cè)低于內(nèi)側(cè)說明箱梁向外側(cè)扭轉(zhuǎn)嚴重,已造成反超高現(xiàn)象,同時梁體有明顯橫向位移并伴隨有支座脫空(見圖2)及梁體扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,這對橋梁結(jié)構(gòu)和行車安全造成了影響。分析發(fā)現(xiàn),早期對連續(xù)彎箱梁橋的特點認識不足,設(shè)計基本布設(shè)單柱單支座,箱梁整體抗扭能力較差。另外在運營過程中,車輛超載和超速對梁體的影響較大。利用MIDAS軟件計算分析表明:車輛超載及超速所造成的離心力超出設(shè)計要求,另外超載產(chǎn)生的制動力也超出設(shè)計值,產(chǎn)生的支座振動容易引起支座摩阻力減少。文獻研究表明,由預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的預(yù)加力荷載和日照溫差也是引起彎箱梁橋出現(xiàn)支座脫空和扭轉(zhuǎn)變形過大的因素之一。鑒于連續(xù)彎箱梁結(jié)構(gòu)病害特征已較為明顯,如偏移繼續(xù)增大,結(jié)構(gòu)將趨于更加不利狀態(tài)。同時在目前橋梁結(jié)構(gòu)脫空狀態(tài)下,機動車通行造成橋梁結(jié)構(gòu)的振動較大,從結(jié)構(gòu)疲勞的角度考慮也十分不利。因此,應(yīng)盡快對匝道進行整修,保證結(jié)構(gòu)安全性與耐久性。為改善S1、S3匝道橋箱梁扭轉(zhuǎn)、偏位的不利狀況,經(jīng)過多方案對比、論證,最終采用通過在原墩柱上新增預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁后,對箱梁進行同步頂升更換損壞支座以恢復(fù)支座的轉(zhuǎn)動能力。在此基礎(chǔ)上,對箱梁進行豎向頂升糾扭使彎橋基本恢復(fù)原設(shè)計狀態(tài),并增設(shè)支座以加大箱梁的抗扭轉(zhuǎn)能力。改造維修后橋梁總體狀態(tài)應(yīng)基本和原設(shè)計一致,橋梁可開放雙車道運營恢復(fù)原通行能力。根據(jù)以上改造目標與橋梁實際情況,工程相關(guān)控制點包括:頂升系統(tǒng)應(yīng)能達到多點力與位移的同步,頂升力應(yīng)有一定的富余;改造中對外側(cè)支座頂升力、支座轉(zhuǎn)角及橋面高程進行監(jiān)測;頂升過程應(yīng)對箱梁相關(guān)危險點進行應(yīng)變檢測,防止箱梁產(chǎn)生不可恢復(fù)變形。4全球同步同步失真經(jīng)過多方論證,該橋采用“先同步頂升更換支座,再頂升糾扭新增支座,最后頂升測定支座反力”的頂升施工思路,工程的總體改造工序安排見圖3。4.1頂升方式頂升該工程采用國內(nèi)較為先進的PLC多點同步液壓頂升控制系統(tǒng),其頂升(降落)精度可達±0.50mm。同步頂升時每墩設(shè)置1個頂升控制點,同步頂升為七點同步控制,采用2臺頂升車聯(lián)機同步。同步頂升前通過同步試頂確定頂升參數(shù)。試頂階段采用墩柱兩側(cè)對稱布頂方式頂升,在千斤頂達到估算頂升重量時,位移傳感器的變化不大,但徑向外側(cè)百分表數(shù)值明顯小于徑向內(nèi)側(cè)的百分表數(shù)值,表明對稱布頂?shù)母鞫涨Ы镯斘茨芡?彎箱梁扭轉(zhuǎn)有加劇的趨勢。這主要是由于匝道箱梁扭轉(zhuǎn)、偏位導(dǎo)致箱梁中心線與墩柱中心線存在一定的偏差,箱梁外側(cè)的重量大于內(nèi)側(cè),為此提出采用不對稱布頂?shù)姆绞?見圖4)進行同步頂升。采用不對稱布頂同步頂起箱梁后,拆除損壞支座、安裝新支座。安裝新支座時,支座順橋向中心線必須與主梁中心線重合或平行,安裝角度為各支座縱向移動方向與橋梁分孔線之間的夾角。新支座安裝完畢后同步分級回落千斤頂,當箱梁距支座頂板約5mm時,采用灌注器將環(huán)氧砂漿注入間隙內(nèi),待其固化并達到強度后回落箱梁至支座上。4.2第1階段頂升糾扭工藝監(jiān)控與安裝同步頂升糾扭分2個階段完成:第1階段頂升糾扭以彎橋整體姿態(tài)控制頂升方案,使箱梁的整體姿態(tài)基本恢復(fù)原設(shè)計狀態(tài),即以控制中墩支座轉(zhuǎn)角與橋面高程為主,頂升力監(jiān)控為輔;第1階段頂升糾扭達到預(yù)期效果后,開始安裝新增外側(cè)盆式支座。外側(cè)支座主要為代替頂升力,使附加扭力恒定,平衡和抵消彎橋產(chǎn)生的扭矩,使中墩起到抗扭作用。根據(jù)有限元分析,第1階段頂升糾扭可分為2個步驟進行:①在頂升力達到400kN時,支座脫空現(xiàn)象可得到改善;②在頂升力達到800kN時支座受力基本均勻,糾扭基本可達到預(yù)期效果。考慮到實際受力狀況與理想分析模型之間的差異,千斤頂頂升力應(yīng)有足夠余量,故采用2臺200t千斤頂同時頂升,典型千斤頂布置見圖5。4.3外側(cè)支柱安裝在箱梁基本恢復(fù)原設(shè)計狀態(tài)后,為保證改造后效果,在中墩內(nèi)、外側(cè)各新增1個盆式支座。外側(cè)支座在實測頂升力達到設(shè)計要求反力后進行安裝,主要作用為代替頂升力,使附加扭力恒定,平衡和抵消彎橋產(chǎn)生的扭矩及使中墩起到抗扭作用。內(nèi)側(cè)支座在同步頂升更換支座完畢、千斤頂卸荷落梁后進行安裝,主要為增強橋梁傳遞上部活載的能力,不參與分擔(dān)恒載。在外側(cè)支座完全受力后,在24h內(nèi)每隔6h觀測并讀取位移傳感器、百分表數(shù)據(jù),確定新增支座與橋梁的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上重新同步頂升箱梁,對支座反力進行測量。5改造效果評估5.1高程差、徑向位移變化量橋面坐標測量主要有2個目的:一是反映橋面縱向線形的整體變化;二是各跨跨中梁體橫坡不方便測量時,可通過坐標測量方法來解決。S1匝道橋調(diào)整前、后橋面各測點高程差、徑向位移變化量見圖6。分析可知:內(nèi)側(cè)測點高程平均降低7mm,最大降低14mm,平均徑向位移變化量為6mm,最大徑向位移變化量為20mm;外側(cè)測點高程平均降低3mm,最大降低9mm,平均徑向位移變化量為7mm,最大徑向位移變化量為20mm。由此可見,梁體的扭轉(zhuǎn)偏位情況得到一定程度的改善。其中,徑向位移為正時表示背離箱梁圓心方向,為負時表示指向圓心方向。5.2梁底橫坡平均變化S1匝道橋改造前、后橋墩處的橫坡實測數(shù)據(jù)見圖7。由圖7可知,S1匝道橋梁體糾偏前9號～13號(2號～6號測點)墩處梁底橫坡為負,經(jīng)過糾偏其橫坡均變?yōu)檎?得到很大程度的改善。其中,中墩處梁底橫坡平均變化1.15%,最小變化1.05%;邊墩處梁底橫坡變化分別為0.90%與1.30%,箱梁扭轉(zhuǎn)得到一定程度的改善。5.3外側(cè)無起落架時的理論反力目前對已安裝支座的實際反力還沒有直接有效的測試方法。該工程采用PLC頂升系統(tǒng)測量支座反力,即在安裝完外側(cè)支座后將千斤頂在原位頂升箱梁,待箱梁底面與支座頂板脫空時,此時千斤頂頂升力即為外側(cè)支座反力。該工程采用如下2個方法近似判斷支座脫空狀態(tài)。(1)在千斤頂頂升過程中,箱梁底面與支座頂板脫空前,千斤頂頂升力與頂升位移關(guān)系為圖8中OA段,其斜率為支座受壓剛度和梁體的抗扭剛度;當支座脫空后,頂升力與頂升位移關(guān)系為AB段,其斜率為梁體的抗扭剛度。由此可知,圖8中曲線的拐角點對應(yīng)的頂升力F0即可視為支座反力,Δh可視為千斤頂回落后的支座壓縮量。由于梁體抗扭剛度比支座受壓剛度小得多,AB段理論上應(yīng)比較平緩。(2)支座反力測量過程中,通過監(jiān)測箱梁兩側(cè)的百分表讀數(shù)確定最終的反力值,即當外側(cè)百分表行走約10.0mm時,即認為外側(cè)支座已處于脫空狀態(tài),此時頂升力與支座反力相等。通過頂升力與箱梁位移的關(guān)系及位移回調(diào)值可推定外側(cè)支座的理論反力見表1。由表1可知,雖然支座反力推定值較設(shè)計值大,但無論外側(cè)支座還是邊墩支座均已開始受力,可見改造達到了預(yù)期效果。6彎箱梁頂升改造(1)由于曲率半徑的存在,預(yù)應(yīng)力連續(xù)彎箱梁橋容易出現(xiàn)支座脫空和梁體扭轉(zhuǎn)的問題。而超載、超速、預(yù)加力荷載和日照溫差等原因是引起彎箱梁橋出現(xiàn)支座脫空和扭轉(zhuǎn)變形過大的主要因素,因此在設(shè)計與橋梁運營管理上應(yīng)引起重視。(2)合適的支座布置可以控制彎箱梁的扭轉(zhuǎn)和平面變形。設(shè)計時可將中墩布設(shè)為雙支座或三支座的形式,同時可增加端部支座的間距,增大梁端的抗扭作用,避免支座脫空。