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體外索加固T構(gòu)橋的索力檢測(cè)與評(píng)價(jià)工學(xué)論文
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(jì)全長(zhǎng)為1090.26米，橋面凈空：凈-7+2×1.5m人行道；設(shè)計(jì)荷載為汽車-13；拖車-60；人群-3.5KN/m2.上部結(jié)構(gòu)為16孔預(yù)應(yīng)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(zhǎng)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(yù)制吊裝普通鋼筋混凝土T梁構(gòu)成，掛孔跨徑為21m，梁長(zhǎng)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(jì)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(yù)制干接縫懸臂拼裝。懸臂箱梁預(yù)應(yīng)力鋼筋采用45硅2鈦（45Si2Ti）12mm冷拉時(shí)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(duì)稱張拉，1～7號(hào)塊件預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力為675Mpa，8～9號(hào)（牛腿）塊件預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力為650Mpa.本橋箱梁采用明槽布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，因此在鋪筑橋面鋪裝前設(shè)計(jì)要求在明槽頂鋪設(shè)油毛氈防水層以加強(qiáng)防水性。
1.3、大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)評(píng)述吉安井岡山大橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制節(jié)塊干接縫懸拼施工的帶掛孔預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)，在二十世紀(jì)七十年代初期尚屬技術(shù)先進(jìn)的橋型；該橋跨徑71m、全長(zhǎng)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(xué)性質(zhì)仍屬靜定結(jié)構(gòu)，從當(dāng)時(shí)的橋梁設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)計(jì)算手段以及施工能力等方面來(lái)說(shuō)，都是最佳和先進(jìn)的橋梁結(jié)構(gòu)型式。
但是，我國(guó)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(yù)應(yīng)力束的材料等，以及設(shè)計(jì)理論與計(jì)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(guò)一段時(shí)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(shí)的沖擊和橋梁振動(dòng)都比較強(qiáng)烈。井岡山大橋的支座與伸縮縫雖經(jīng)多次維修更換，都時(shí)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(fù)雜、變形量大，并伴有旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)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(yù)應(yīng)力損失所致。所以，預(yù)應(yīng)力損失是影響預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力橋梁上尤為明顯，特別是早期采用預(yù)制節(jié)塊懸臂施工的預(yù)應(yīng)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(yù)制節(jié)塊、干接縫懸臂拼裝后施加預(yù)應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)橋梁的整體性、以及預(yù)應(yīng)力鋼筋受大氣侵襲而銹蝕都不利。由于施工過(guò)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(shí)亦難以調(diào)整，其塊件接縫處應(yīng)力傳遞情況較復(fù)雜，整體性也差。另外，懸臂拼裝時(shí)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(fù)雜、局部應(yīng)力集中并過(guò)大。另外，還存在一個(gè)顯著缺點(diǎn)，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(duì)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(yù)應(yīng)力混凝土的收縮、徐變、鋼筋的松馳以及日照的影響等，都會(huì)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(cè)主要病害
①井岡山大橋懸臂箱梁的部分預(yù)應(yīng)力筋錨頭已嚴(yán)重銹蝕（特別是9號(hào)塊的），而該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力干接縫懸拼施工，因而預(yù)應(yīng)力筋錨頭銹蝕給全橋的正常使用造成嚴(yán)重的威脅和隱患。
�、跇蛎婵v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(yán)重，使車輛過(guò)往產(chǎn)生較大的沖擊力。
�、凵炜s縫、支座破壞嚴(yán)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(yán)重，活動(dòng)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(dǎo)致掛梁受力不正常，橫隔板破壞。
④梁體裂縫較多，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(kāi)裂。T構(gòu)箱梁主要是在腹板上緣，為縱向縫。
⑤兩岸橋臺(tái)變形較大（向前傾），溜坡及兩側(cè)擋土墻破壞較嚴(yán)重。
2、大修加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)
由于該橋已使用多年，雖然經(jīng)過(guò)檢測(cè)查明了一些情況，但任何檢測(cè)總是有限的，因此本橋的加固設(shè)計(jì)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(jì)共分兩大部分：對(duì)橋梁病害部分進(jìn)行維修整治，對(duì)橋梁的承載能力進(jìn)行恢復(fù)。
2.1橋梁病害的病害維修、整治部分
�、賹�(duì)掛梁、箱梁的裂縫采用化學(xué)灌漿，并按裂縫寬度分別處理。同時(shí)在掛梁邊梁和T構(gòu)箱梁的腹板，當(dāng)裂縫寬度大于0.2mm時(shí)，粘貼碳纖維布對(duì)裂縫進(jìn)行約束。
�、阼彸驿佈b，全部重新澆注40號(hào)鋼纖維混凝土（加筋），由于鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度較高，并設(shè)有較強(qiáng)的鋼筋網(wǎng)，不僅耐磨，抗沖擊，而且對(duì)掛梁的橫向剛度有較大提高。
�、鄄鸪龗炝涸潭ㄖёㄇ芯�式鋼板支座）及活動(dòng)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(duì)箱梁預(yù)應(yīng)力錨頭進(jìn)行防銹處理：1～8號(hào)塊件在錨頭上掛鋼筋網(wǎng)，再澆注15cm環(huán)氧樹(shù)脂混凝土封錨。9號(hào)塊件先鑿除5cm厚原封錨混凝土，再恢復(fù)至原封頭尺寸。
⑤對(duì)掛梁（個(gè)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(fù)橋梁的承載能力部分，使其在原設(shè)計(jì)荷載下，可繼續(xù)使用，其內(nèi)容為：
�、僭谥鞫丈喜胯忛_(kāi)孔洞，在箱梁中采用植筋技術(shù)，設(shè)置齒板，用體外束（無(wú)粘結(jié)束）對(duì)箱梁進(jìn)行加固。設(shè)計(jì)中對(duì)長(zhǎng)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(shí)，比較方便。
�、跇蚺_(tái)的加固采取動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則，分別在橋臺(tái)前后各加2根直徑1.2m的鉆孔灌注樁（一個(gè)橋臺(tái)共加四根樁），再澆注承臺(tái)與原承臺(tái)連接。
3、T型剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力箱梁加固維修施工
針對(duì)T構(gòu)箱梁原有預(yù)應(yīng)力損失的病害，加固設(shè)計(jì)采用在箱梁內(nèi)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力索的方法，將預(yù)應(yīng)力損失補(bǔ)償。
即在箱梁5#塊和8#塊設(shè)置混凝土齒板，體外索穿過(guò)0#塊，分別由5#塊齒板和8#塊齒板錨固起來(lái)，從而得到加固。
箱梁體外預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力體外索錨具的預(yù)埋，以及模板的支立，混凝土的澆筑，體外預(yù)應(yīng)力索的張拉等施工。
齒板混凝土施工完畢，進(jìn)行體外索穿索夾戴錨具施工，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以上時(shí)，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力索鋼絞線張拉，張拉采用T構(gòu)箱梁整體對(duì)稱進(jìn)行，即4套張拉設(shè)備同時(shí)進(jìn)行。預(yù)應(yīng)力筋張拉采用“雙控法”施工，預(yù)應(yīng)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(shí)安設(shè)體外索支架。體外預(yù)應(yīng)力索鋼絞線張拉施工完畢，箱梁體外預(yù)應(yīng)力施工結(jié)束。
4、大橋T構(gòu)箱梁體外預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力檢測(cè)
4.1、主要測(cè)試方法本次測(cè)試體外預(yù)應(yīng)力束是在該橋加固施工完成并通車運(yùn)行一年后才進(jìn)行的，目的是檢測(cè)各體外索力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)主要采用了振動(dòng)加速度響應(yīng)頻譜分析手段，對(duì)1#、4#、7#、10#、13#T構(gòu)箱室的72根索進(jìn)行了測(cè)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(lì)振動(dòng)方式和環(huán)境振動(dòng)方式相結(jié)合的辦法，采集拉索的振動(dòng)加速度響應(yīng)。為獲得盡量大的振動(dòng)響應(yīng)，本次測(cè)試只采集拉索的面內(nèi)振動(dòng)信號(hào)，即將加速度傳感器安裝在拉索的面內(nèi)振動(dòng)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(shí)間不少于2分鐘。
4.2、拉索振動(dòng)信號(hào)分析及內(nèi)力計(jì)算將由采集系統(tǒng)得到的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為Matlab數(shù)據(jù)格式，使用Matlab的頻譜分析工具，通過(guò)快速富里葉變換，得到拉索的自功率頻譜圖，進(jìn)而識(shí)別拉索的固有振動(dòng)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(shí)際工程計(jì)算的需要。
在內(nèi)力分析計(jì)算中，采用有限差分離散格式，將拉索振動(dòng)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(shí)間域的常微分方程，通過(guò)特征分析得到的自振頻率與拉索內(nèi)力是對(duì)應(yīng)的，即某一內(nèi)力值，可以計(jì)算出拉索對(duì)應(yīng)的各階自振頻率。
根據(jù)識(shí)別出的拉索振動(dòng)頻率，由標(biāo)準(zhǔn)弦（不考慮拉索的垂度、抗彎剛度）振動(dòng)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(jì)算得到拉索的振動(dòng)頻率，與測(cè)試識(shí)別出的頻率相比，當(dāng)兩者相差較大時(shí)，修正內(nèi)力值，重新計(jì)算振動(dòng)頻率，直到計(jì)算得到的頻率與測(cè)試得到的值相差很小時(shí)為止，此值即為拉索的內(nèi)力值。
4.3、體外束內(nèi)力測(cè)試結(jié)果及分析按照上述計(jì)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(hào)規(guī)則：各室內(nèi)的體外束從上游至下游依次編號(hào)為1、2、3、……、8.計(jì)算依據(jù)是有關(guān)拉索的設(shè)計(jì)圖紙及各拉索的施工控制值。
5、結(jié)語(yǔ)
5.1、體外預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力測(cè)試結(jié)果
�、俦敬螜z測(cè)采用振動(dòng)測(cè)試及有限差分法，對(duì)井岡山大橋T構(gòu)箱梁加固體外預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行了認(rèn)真的檢測(cè)分析，通過(guò)頻譜分析技術(shù)和結(jié)構(gòu)計(jì)算，得出了各拉索的軸向內(nèi)力。
②索力測(cè)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(yù)應(yīng)力損失后仍屬于正常預(yù)應(yīng)力范圍內(nèi)。
③本次測(cè)試結(jié)果反映出，全橋體外預(yù)應(yīng)力索力規(guī)律性較差，建議二～三年內(nèi)再次對(duì)索力進(jìn)行測(cè)試和必要的索力補(bǔ)張拉。
5.2、體外索加固大修懸臂箱梁質(zhì)量評(píng)價(jià)通過(guò)對(duì)箱室內(nèi)新增預(yù)應(yīng)力束及其相關(guān)構(gòu)件、原有固定預(yù)應(yīng)力束防銹封錨的外觀檢測(cè)，與設(shè)計(jì)要求基本相符，施工質(zhì)量良好，裂縫修補(bǔ)和粘貼碳纖維布也均符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)采用相關(guān)儀器測(cè)出的預(yù)應(yīng)力索力也基本上滿足設(shè)計(jì)要求的張拉力值。只是新增預(yù)應(yīng)力束轉(zhuǎn)向塊的數(shù)量與加固設(shè)計(jì)施工圖存在出入，但總體施工質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
該橋經(jīng)加固維修施工后，已通車營(yíng)運(yùn)兩年，經(jīng)跟蹤觀察，使用情況總體良好。
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