揭开50米预应力T梁的顽疾
cof_76454999
2022年05月18日 10:08:18
来自于桥梁工程
只看楼主

 

开封黄河公路大桥改造后整体图片


开封黄河公路大桥位于开封市东北30公里处黄河干流上,全长4475m,共108跨,其中20m预应力T梁31跨,50m预应力T梁77跨;设计荷载汽车-超20级、挂车-120,人群荷载3.5kN/m2,于1989年12月建成通车。该桥自2000年起历经了多次加固改造,主要包括:取消了人行道,行车道由双向两车道变更为双向四车道;对全桥桥面进行了更换,并对全桥31跨20m预应力T梁梁底粘贴钢板、腹板斜向粘贴钢板加固;对第6跨20mT梁梁底增设体外预应力加固;对全桥横隔板粘贴钢板加固。


然而,该桥梁经过多次加固后,问题并未得到彻底解决。同时受超载车辆影响,该桥梁在自2016年起的历年检测评定中,虽然20m预应力T梁现状良好,但由于50m预应力T梁未曾加固,存在大量受力裂缝,局部混凝土甚至呈破碎状,仍被评定为4类危桥。为提升该桥安全性能,确保人民群众生命财产安全,相关人员对该桥启动加固改造工程。


加固方案与试验分析


超大负荷是病害主因


经专项检测发现,该桥20m预应力T梁现状良好,承载能力满足设计荷载等级(汽车-超20级,挂车-120,以下同);50m预应力T梁存在大量受力裂缝,局部混凝土甚至呈破碎状,原设计状态(双向两车道)承载能力能够满足设计荷载等级要求,但现状(双向四车道)承载能力由于出现了新增裂缝不能满足设计荷载等级要求。


针对50m预应力T梁,根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》将检测结果引入检算过程,在最不利荷载组合作用下,50m预应力T梁的抗弯承载能力均不能满足原设计89规范和承载能力检测评定规程要求,最小富裕系数仅0.87;最大拉应力和主拉应力达4MPa左右,超过了2.7MPa的限值。


结合专项检测及检算结果综合分析病害成因,桥面布置改变及恒载增加是梁体病害产生的影响因素之一,但超大交通量及大量超重车辆是造成梁体病害的最主要因素,重车的行驶车道与梁体病害程度密切关联。


加固设计标准与改造内容


加固改造设计的主要技术标准如下:设计荷载——汽车-超20、挂车-120(维持原设计荷载等级);通航标准——五级航道;桥面宽度——维持桥面现状宽度不变,50cm(护栏)+1750cm(双向行车道)+50cm(护栏)=全宽1850cm。


加固改造主要设计内容包括:50m预应力T梁体外预应力加固,及其跨中附近梁底混凝土碎裂加固;20m、50m预应力T梁及桥墩盖梁、桩基耐久性恢复提升;更换或修复桥梁伸缩缝、支座等附属构件;全桥护栏安全性提升改造;全桥上、下部结构混凝土剥落露筋及裂缝修复;南北引道路面及交安设施改造提升;桥梁施工监控及运营阶段长期监测监控系统。


其中,50mT梁体外预应力采用2束6-Φs15.2 mm环氧涂覆无粘结钢绞线成品索,锚下控制张拉应力σcon=930MPa。T梁体外预应力加固总体布置如图1所示。

 

图1 T梁体外预应力加固总体布置(单位:cm) 


钢结构锚固块


钢结构锚固块采用Q355B钢板,主要由加强钢板、基座钢板、传力钢板、加劲钢板、锚垫板、钢管、粘贴钢板、锚栓以及灌注型粘钢胶等组成。由于T梁端部位置腹板变厚,为减小应力集中,增设8 mm厚底钢板。锚固块与T梁腹板采用对穿螺栓进行锚固,同时底钢板与梁体间压注结构胶。钢结构锚固块方案布置如图2所示。


 

(a)立面

 

(b)空间图

图2 钢结构锚固块方案设计图(单位:cm)


锚固块试验分析


高强耐候钢结构锚固块可工厂化预制、现场拼装,施工便捷,技术成熟,耐腐蚀。从施工便捷以及造价方面考虑,最终方案采用高强耐候钢结构锚固块方案。为验证高强耐候钢结构锚固块方案的可实施性,选取该桥某跨作为试验跨,进行高强耐候钢结构锚固块方案试验验证。


选取该桥一跨作为试验跨,测量张拉体外预应力过程中结构的响应。试验过程中,对体外预应力采用50%、80%、100%三级张拉,安装传感器监测T梁锚固区混凝土应力,以及2片边梁上锚固块相对滑移量。现场试验布置如图3所示。


 

(a)试验跨

 

(b)高强耐候钢结构锚固块局部

 

(c)应变测点布置

图3 现场试验布置


根据试验监测数据分析,锚固区附近混凝土应变实测值未出现异常数据,锚固区应力满足设计要求。2片边梁上锚固块相对滑移实测结果显示:锚固块与T梁腹板相对滑移最大值为0.0148mm,锚固块的滑移较小。

 

图4 锚固块安装完工

 

图5 T梁跨中包夹钢板完工


试验结果表明锚固块的应力以及位移均在设计控制值内,方案可行,最终在该桥加固中批量使用了高强耐候钢结构锚固块。


改造设计创新管理


总体设计原则及设计难点


总体设计贯彻“安全适用、技术可靠、经久耐用、经济合理、环境保护”,及全寿命周期成本最优为总体设计原则,依靠检测设计一体化优势,通过专项检测、调研总结和理论分析,充分研究桥梁病害成因,以恢复使用功能、提高承载能力、增强安全性和耐久性为目的,通过针对性的反复方案比选,提出适合本项目的桥梁加固改造方案,恢复桥梁技术状况等级为2类;同时,最大限度利用既有结构、控制工程规模,并充分运用新材料、新技术及新工艺。


设计特点及难点包括:第一,T梁加固方案直接决定工程总造价。该桥全长4475m,共108跨,虽只有20m和50m预应力T梁两种结构型式,但50m预应力T梁占77跨共计536片,其加固方案直接决定着工程总造价。第二,桥梁病害复杂,加固改造难度大。该桥历经多次加固改造,一直未彻底解决问题,特别是50m预应力T梁,受超载车辆影响,出现大量受力裂缝,甚至出现混凝土破碎现象,承载能力安全系数最低仅0.87,且出现了最大约4MPa的拉应力,故桥梁承载力提升和应力改善难度非常大。第三,新老规范、新政策的融合应用。该桥加固设计需兼顾新规范新政策要求,全面提升桥梁承载能力、耐久性能及安全防护能力。其中,加固设计荷载维持原设计89规范汽车-超20级,挂车-120,其他技术标准按照《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)执行。第四,兼顾管养多元化需求。为适应新时代桥梁运营管理需求,需同步建设桥梁长期监测监控系统,以实现“主动预防式”的结构安全监测理念。


创新技术取得成效


针对项目特点,勘察设计团队创新设计、突破关键技术难点,争创精品工程,设计中采用了多项新技术或创新内容,主要有如下几点:


1.检测设计一体化模式的应用。本项目采用检测设计一体化模式,有利于项目开展。检测设计人员一起开展各种专项检测,通过检算分析评估桥梁现状承载能力,并通过荷载试验进一步核实,为加固设计提供基础资料。


2.试验检测辅助设计方式的应用。设计阶段通过理论分析与试验跨验证相结合的方式,确定50m预应力T梁采用体外预应力加固方案;加固后通过专项检测和荷载试验,验证了体外预应力加固措施的有效性,使现状承载能力提高达10%以上满足了规范要求、消除了超限拉应力、增加了压应力储备达0.6MPa以上,有效闭合了既有裂缝宽度达0.01mm。


3.体外预应力加固体系集成创新设计。体外预应力锚固块、转向块设计为模块化钢结构,以利于工厂化、标准化制作与施工;预应力索设计为整体可更换式,以利于后期维护与更换。


4.混凝土耐久性提升新材料的应用。积极采用水泥结晶型防腐新材料,有效提升结构混凝土耐久性能。


5.同步设计施工和运营期长期监测及监控系统,全面提升桥梁运营管理水平。针对桥梁施工监控和健康监测系统在硬件、软件、传输方式及数据处理方面的共性,基于耐久性、适用性原则集中在硬件设备共享、模型传递及数据延续方面,将桥梁施工期的监控延伸到运营期的结构监测系统,构建一个集约高效、技术先进、易于管理、开放兼容、实用经济、符合公路桥梁管理需求的现代化、信息化的桥梁管理平台,全面提升桥梁运营管理水平。


 


联合攻关确保安全


该桥加固改造后,桥梁使用功能及安全性能得到全面提升,尤其提高了50m预应力T梁的承载能力和刚度,恢复了压应力储备和抗裂性能,改善了行车安全和舒适性。其中,主梁抗弯承载能力最小安全系数由0.87提升至1.04。同时满足新旧规范要求,经桥梁检测和荷载试验评定为“2类”桥,达到了预期加固改造目标。为确保桥梁结构运营安全,在桥头设置了限高限重设施,严禁超载车辆通行。


该项目于2019年10月开工建设,2020年12月通车运营,至今加固改造效果良好。与此同时,参建人员通过积极探索,积累了宝贵经验。主要包括:1.项目采用检测设计一体化模式,有利于项目开展。检测设计人员一起开展各种专项检测,通过检算分析评估桥梁现状承载能力,并通过荷载试验进一步核实,为加固设计提供基础资料。2.对于既有桥梁的维修加固设计,完善的基础资料是保证加固设计成功的基石,详细的计算分析是拟定合理、可行的加固方案的重要依据。3.通过理论分析与试验跨验证相结合的方式,提出了高强度耐候钢结构锚固块及UHPC锚固块方案,有限元计算结果表明2种方案均可行,确定50mT梁采用体外预应力加固方案,加固后荷载试验验证了体外索加固措施的有效性。4.桥梁维修加固设计实际上是一个动态设计的过程,现场实际情况与原竣工图纸也不尽完全相同。在本项目的施工过程中,设计人员多次前往施工现场配合施工需要,实现了设计、施工的良好互动。重视后期服务工作不仅可以保证工程的顺利进行,而且可以提高设计质量。


  
免费打赏
路桥王哥
2022年05月18日 15:18:22
2楼

很不错的资料,学习了

回复
小桥流水人家22
2022年05月19日 13:32:44
3楼

真是棒啊很好的资源

回复
菠萝古老肉
2022年05月20日 14:36:30
4楼

谢谢分享案例

回复

相关推荐

APP内打开