【摘 要】 预应力混凝土弯桥在公路及城市道路中广泛采用,但是近年来这类桥梁在使用过程中出现不少病害。通过工程实例,分析弯桥的病害原因,并具体介绍处理办法。
【关键词】 预应力; 混凝土弯桥; 病害; 径向作用; 顶升; 加固
1 概 况
广东省某互通D匝道桥全桥长383 m (上跨C匝道及主线) ,桥宽10 m,孔跨布置为3 ×20 + 3 ×20 + (20 + 20 + 24 +14) + 3 ×20 + 3 ×20 + 3 ×20 (m)预应力混凝土连续箱梁。3×20 m联跨的梁高为1.1 m, 20 + 20 + 24 + 14 (m)联跨的梁高1.4 m。连续梁顶底板厚分别为0.25 m、0.20 m (底板在暗横梁附近变厚至0.4 m) ,单箱单室,箱底宽5.0 m,两侧悬臂均为2.5 m;箱梁腹板为直腹板,跨中腹板厚0.4 m,支点腹板厚0.6 m。中、端横梁为预应力混凝土结构,并在每跨设置了两道中横隔板。主梁梁体采用C50混凝土,整体现浇施工。全桥平面位于R = 250 m、100 m、160 m的圆曲线及缓和曲线上,见图1。
桥墩均采用独桩独柱形式,墩身为1.0 m ×1.5 m的矩形。联跨间交接墩设置托盘,横向设双支座,支座间距2.5m,对应桩径<1.80 m;其他桥墩(中墩)设单支座,没有托盘,对应桩径<1.50 m。交接墩与中墩有不同的配筋率。桩底嵌入弱风化基岩2 m以上,柱高7～14 m桩长为6～22 m。
由于本桥位于曲线上, 7、8、9、11、12号桥墩向曲线外侧设偏心15 cm。支座均采用GPZ( Ⅱ)型盆式橡胶支座,限制径向位移。墩柱采用C30混凝土,桩基及桩帽采用C25混凝土。
该桥于2005年4月完成连续梁及防撞墙的施工,桥面铺装尚未施工,由于4月份连续高温,发现该桥有扭转的现象,第3、4联外侧略有下降,内侧略有上翘,交接墩内侧支座有脱空。
2 问题分析
采用ANSYS空间软件进行结构分析。预应力部分完全按空间力学考虑, 计算分析过程按照实际施工情况进行考虑, 即浇注主梁混凝土、预应力钢束张拉、施工防撞墙、桥面铺装、使用、运营阶段(包括升降温、日照、沉降差、活载) 。桥墩纳入空间计算模型。表1、表2是按原设计计算的支座反力。
从表1、表2的计算数据可以看出,第3联和第4联在活载作用下会发生梁体扭转失稳,需要进行加固设计。还可以分析出,预加力和顶板升温是支座脱空、梁体产生扭转失稳的主要原因:
(1)梁体上下缘温差会使梁产生翘曲变形,直接表现就是支座脱空。
(2)预加力径向分量对梁的扭转作用。钢束任意段上预加力径向分量与该段到结构重心的距离之积就是该段预加对梁的扭转作用[ 1 ]。活载的曲线外侧偏载作用是结构设计需要满足的承载要求。另外,原设计的桥墩本身横向强度不足,不能承受活载离心力。
3 桥梁加固
加固方案要能解决支座脱空问题,并使结构能够长期、正常情况工作,保证桥梁运营的安全。同时要使加固工期短,
3.1 加固方案
(1)连续梁第2联3 ×20 m: 3号墩不动; 4、5号墩支座向外侧(路线前进方向右侧)移动25 cm; 6号墩内侧支座不动,外侧支座向外移65 cm,支座间距3.15 m。
(2)连续梁第3联20 + 20 + 24 + 14 (m) : 6、10号墩在外侧各加1根<1.20 m桩基,接长承台,横向外侧加宽0.86 m桥墩截面,托盘横向加宽,内侧支座不动,外侧支座外移65 cm,支座间距3.15 m; 8号墩外侧加1根<1.20 m桩基,接长承台,横向外侧加宽0.8 m桥墩截面,加托盘改设双支座,原有支座移向外侧,内侧新增1个GPZ(Ⅱ) 510DX盆式橡胶支座,内侧支座距离桥梁中心线0.55 m,外侧支座距离桥梁中心线1.65 m,支座间距2.2 m; 7、9号墩只将支座向外移25 cm。
(3)连续梁第4、5联3 ×20 m: 13、16号墩在外侧各加1根<1.20 m桩基,接长承台,横向外侧加宽0.86 m桥墩截面,托盘横向加宽,内侧支座不动,外侧支座外移65 cm; 11、12、14、15号墩只将支座外移25 cm。
(4)第1、6联3 ×20 m连续梁位于R = 250 m、R = 160 m的圆曲线及缓和曲线上。按R = 160 m计算分析3 ×20 m连续梁,营运阶段最不利组合没有支座脱空情况。第1、6联不作处理。
(5)在6、10、13、16号墩加宽托盘的同时,在外侧增设钢筋混凝土限位挡块。加固后的支座反力及桥墩柱底内力见表3～表6。
表6 第4联桥墩内力(柱底)
注: 11“容许”项,加桩桥墩在相应轴力情况下桥墩截面能承受的极限弯矩,中墩在相应轴力情况下桩基截面能承受的极限弯矩。21桥墩内力中的轴力是对应弯矩的轴力。
在4、5、7、9、11、12、14、15号桥墩尽可能向曲线外侧移动支座,以减小梁的扭矩传到墩上;在6、8、10、13、16号桥墩加桩、加柱身截面、加托盘、移支座,是为了承受汽车离心力及温度、预加力引起的梁的扭矩,并限制因梁扭转引起的水平位移,从而减小其他桥墩的弯矩。
3.2 施工步骤
(1) 在6、8、10、13、16号桥墩外侧进行增设桩基施工。
(2) 在6、8、10、13、16号桥墩墩身、托盘、承台确定植筋钻空位置, 进行植筋钻孔。墩身、承台表面新旧混凝土结合面凿毛清洗干净, 钻孔、清孔、干燥、植筋。
(3) 进行6、8、10、13、16号桥墩承台、墩身托盘加宽施工。
(4) 在6、8、10、13、16号桥墩施工同时, 在所有桥墩改横桥向双支座和移支座处。应根据支座高度、平面尺寸及支座位置采取不同措施将梁底调平, 以便安装支座。梁底调平措施可以采用1 cm厚钢板, 在钢板与箱梁底间添塞环氧树脂水泥沙浆。
(5) 逐墩单独顶升梁将4、5、7、9、11、12、14、15号桥墩顶支座向曲线外侧移动25 cm。顶升梁时在桥墩两侧设四个支点, 将梁同步顶升约10 mm, 将原有支座移向曲线外侧设计位置, 并在支座上下两面用环氧树脂水泥砂浆与墩顶、梁底粘接, 然后卸除顶升力。
(6) 7号墩支座换成GPZ ( Ⅱ) 6DX支座, 8号桥墩处梁的顶升同其它中墩, 梁顶升后将7 号墩换下的GPZ(Ⅱ) 6GD支座放置在曲线外侧, 并在曲线内侧安装新的GPZ ( Ⅱ) 5DX盆式支座, 支座与墩梁间采用环氧树脂水泥沙浆粘接, 然后卸除顶升力。
(7) 一联中墩支座移位完成后, 进行交接墩支座的移位, 交接墩施工工艺参照中墩。
(8) 顶移支座全部完成后即可施工桥面铺装。第3联与相邻联之间在防撞墙位置已有近5 cm的上下错位, 先顶升每联的中墩就是希望梁的位移能够自然恢复,从程序计算数据分析这是可以达到的。
