一、工程概况
深圳市机荷高速公路黄鹤立交CD2号匝道桥桥型为4×28+2×40.5+5×28米预应力混凝土连续曲线箱梁,其中第三~十一跨位于直径125米及800米的同向曲线上,桥梁全长333米。该桥在0号、11号桥台处各设一道BEJ-150伸缩缝。桥墩采用桩柱式结构,第3、7号墩采用双柱式基础,其余为独柱基础。主梁采用单箱单室断面,顶宽12米,底宽6米。中间两孔40.5米跨为变高度截面,箱梁根部高2米,跨中梁高1.5米,按二次抛物线变化。其余28米跨均采用等高截面,梁高1.5米。箱梁底板厚25厘米,腹板厚40厘米和50厘米,各墩墩顶均设1.5米厚横隔板,并设预应力。支座为GPZ盆式橡胶支座。纵横向预应力采用ASTM A416-92标准生产的低松弛270级钢绞线,公称直径Φj15.24毫米,抗拉破断力为1860MPa,弹性模量1.95×105MPa,锚具采用钢绞线群锚和扁锚,型号分别为YM15-9,BM15-3型。
1999年12月3日该桥试通车,1999年12月桥检中发现了裂缝。经详细检查,共337条,其中第一跨有裂缝10条,第二跨有裂缝18条,第3跨有裂缝18条,第四跨有裂缝40条,第五跨有裂缝79条,第六跨有裂缝68条,第七跨有裂缝38条,第八跨有裂缝25条,第九跨有裂缝26条,第十跨有裂缝11条,第十一跨有裂缝4条。第4~7跨分布较多,共有225条,占全桥总数的66.8%,仅第5跨就占23.4%。
裂缝宽度以微细裂缝为主,宽度在0.10mm以下裂缝共238条,占全桥总数的70.6%,宽度0.15mm~0.2mm的裂缝有57条,占全桥总数的16.9%,0.25mm以上的裂缝有42条,占总数的12.5%,且全部分布在第4~7跨,裂缝最大宽度达1.50mm。
裂缝主要类型有:支点附近处腹板的斜向裂缝、跨中附近处的横向裂缝、翼板的横向裂缝、底板的纵向裂缝、横向施工缝及不规则收缩裂缝。
二、结构验算情况
1、主要计算方法
结构计算采用曲线梁分析综合程序进行。按实际施工顺序,划分为12个计算阶段。同时运用‘SAP’程序,对于箱梁的局部结构进行了空间分析。
2、主要材料特性
主梁采用40号混凝土,混凝土比重取2.6吨/立方米,弹性模量3.3×104MPa,混凝土材料的收缩徐变特性全部按照规范取值。
预应力采用钢绞线施加,钢绞线弹性模量取1.95×105MPa,钢绞线采用ASTM标准,张拉应力控制值取1395MPa。
3、结构体系
本桥采用落地支架分五个区段施工,计算按实际的施工顺序进行,每个区段设置一个临时水平支撑,待全桥贯通后,永久水平支撑设置在5号墩上,其余水平支撑全部拆除。计算中温度模式取值为:温差按10℃考虑,均匀升、降温按20℃考虑。支座不均匀沉陷按5毫米取值。
4、初步结论
通过分析计算,原设计中多个截面在不利组合下均出现较大拉应力,最大值达3.45 MPa。从计算结果看,设计中预应力明显不足,普通钢筋配置数量和直径均偏小,再加上施工时张拉顺序、张拉误差等原因,致使裂缝较早出现。
5、荷载试验和设计复核情况
该桥经采用曲梁程序分析、空间结构分析及荷载试验得出如下结论:①该桥设计中所提供的安全储备偏小。28米跨支点截面的抗弯极限承载能力明显不足,部分截面出现拉应力超出部分预应力A类构件的要求;②对本桥的剪力滞效应、约束扭转应力等复杂因素估计不足,以及没有充分计及温度力,也导致某些截面应力过大而出现裂缝;③本桥弯桥的受力特点十分明显,设计中对弯桥的受力性状(如较大的扭转作用等)估计不足。
三、加固方案
1、加固方法
针对本桥的设计、施工及开裂现状,结合结构检算和荷载试验结果,采用增加预应力进行加固为较佳方案,即在箱梁两侧腹板上各增设了2束15Φj15.24体外预应力钢绞线(见图一),然后浇筑20~22cm厚的外包混凝土,形成新的箱梁断面(见图二)。同时在1、10号墩顶箱梁顶板及4、5、6号支点范围内箱梁腹板两侧粘贴钢板条。加固前后应力计算结果见下表。
加固前后主梁应力对比 单位:MPa
主梁节点 位置 |
加预应力前 | 加预应力后 | ||
上缘应力 | 下缘应力 | 上缘应力 | 下缘应力 | |
第一跨跨中 | 4.74 | -0.90 | 5.25 | 2.57 |
一号墩顶 | 2.14 | 4.53 | 3.58 | 6.05 |
第二跨跨中 | 5.63 | -2.88 | 6.65 | 0.06 |
二号墩顶 | -0.65 | 8.62 | 2.11 | 7.80 |
第三跨跨中 | 5.22 | -2.91 | 5.50 | 1.12 |
三号墩顶 | 1.58 | 3.33 | 2.91 | 5.19 |
第四跨跨中 | 2.41 | -2.55 | 3.16 | 0.94 |
四号墩顶 | 1.91 | 4.47 | 4.70 | 3.42 |
第五跨跨中 | 4.02 | -2.37 | 4.54 | 1.32 |
五号墩顶 | 4.03 | 3.55 | 6.31 | 3.06 |
第六跨跨中 | 3.99 | -2.18 | 4.53 | 1.47 |
六号墩顶 | 1.94 | 4.52 | 4.80 | 3.21 |
第七跨跨中 | 1.78 | -1.85 | 2.29 | 1.91 |
七号墩顶 | 1.48 | 3.48 | 2.64 | 5.58 |
第八跨跨中 | 5.59 | -3.36 | 6.17 | 0.31 |
八号墩顶 | -0.64 | 8.83 | 2.76 | 7.08 |
第九跨跨中 | 5.40 | -3.31 | 5.33 | 1.28 |
九号墩顶 | 1.65 | 8.16 | 3.34 | 8.92 |
第十跨跨中 | 5.91 | -2.84 | 6.97 | 0.05 |
十号墩顶 | 0.97 | 6.37 | 3.44 | 6.26 |
第十一跨跨中 | 4.45 | -0.39 | 5.42 | 2.38 |
图一 钢绞线布置形式示意
图二 加固后箱梁典型断面示意
2、加固顺序
(1)原有裂缝的处理
1)用环氧浆液对宽度大于0.2mm的底板、腹板、翼板裂缝进行压浆。
2)小于0.2毫米的裂缝进行封闭处理
(2)在4、5、6号支点处箱梁腹板两侧粘贴斜向钢板
(3)种植钢筋、浇筑张拉锚固齿板
① 根据施工图中所提供的锚固齿板位置及尺寸在原腹板侧面准确放样。
② 依据施工图布置,在做新增齿板的位置用冲击钻钻深度不小于20厘米,直径约为22毫米的盲孔,用压缩空气清除孔内浮尘。注意孔内浮尘的清理必须由孔底向孔口清理(硬质排气管插入孔底,再后拔1~2厘米);
③ 用K801胶种植门式锚筋;
④ 骨架形成后,按照齿板的形状立模,然后浇筑混凝土,形成齿板。应严格控制混凝土配合比,加强振捣使混凝土密实,避免孔洞及蜂窝麻面的发生。
(4)、安装钢结构转向器及克服径向力的锚卡
① 依据施工图纸放样;
② 在底座钢板上钻孔,并用环氧树脂粘贴在箱梁腹板上;
③ 用Hilti特制钻头钻孔;
④ 清孔
⑤ 用安装工具切底安装HDA-T-M16锚栓、锚卡。
(5)、张拉、锚固钢束,并逐跨浇筑混凝土
① 凿毛腹板混凝土;
② 依施工图种植腹板及翼板上的钢筋,并绑扎成形;
③ 张拉中间主孔的钢束(双向张拉);
④ 逐孔浇筑新增腹板;
⑤ 接长钢束,单向张拉其余钢束;
⑥ 逐孔浇筑腹板。
(6)在1、10号墩顶粘贴钢板条。
(7)外表整饰,投入运营。
四、结语
本桥加固工程现已全部竣工,加固施工完成后所作的荷载试验表明,箱梁的刚度和应力均得到了较大的改善和提高,取得了较为理想的加固效果。成功的将体外预应力运用于小半径曲线梁桥上,由此可见,用体外预应力结合灌注裂缝加固预应力混凝土连续弯箱梁,在现实中是可行的和有效的。