预应力混凝土连续箱梁复合加固设计与施工.pdf

2 0 1 1年 第 2期 (总 第 2 5 6 期 ) Nu mb e r 2i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 混凝土制品 CONCRETE PR0DUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 2 0 3 5 预应力混凝土连续箱梁复合加固设计与施工 赵洋 ，李晓克 ，王志勇 z ( 1 华北水利水电学院 土木与交通学院 ，河南 郑 州 4 5 0 0 1 1 ；2 河南省交 院 工程测试咨询有限公 司，河南 郑州 4 5 0 0 5 2 ) 摘要 ： 结合郑洛高速公路上廖峪沟预应力混凝土连续箱梁高架桥 ， 采用增大截 面 、 体外 预应力筋 、 铆 贴钢 板和粘 贴碳纤维布 的方法进 行复合a n n， 根据各种加固方法各 自的加 固效果 ， 设计 了最优 的复合加 固方案 ， 并制定 了复合加 固的旌工 流程 ， 成 功地对廖 峪沟 高架桥进 行了加固修复。复合加固法对同类连续箱梁的加周有重要的指导意义。 关键词 ： 预应力混凝土 ；连续箱粱 ；复合加固 ；设计与施工 中图分类号 ： T U5 2 8 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 l 1 6 0 3 De s i gn a nd c ons t r u c t i on o f c om pos i t e s t r e ng t h eni n g f or pr e s t r es s ed c on cr e t e c ont i nuou s bo x gi r de r ZH A O Yan g ， L IX1 a o k e ， WANG Z h i - y o n g ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n dT r a f fi cE n g i n e e ri n g ， No r t hC h i n aI n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n dH y d r o e l e c t ri cP o we r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ， C h i n a ； 2 He n a n J o y Wi n E n g i n e e r in g T e s t and C o n s u l t a t i o n Co ， L t d ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 2 ， C h i n a ) Abs t r ac t ：Co mb i n e d b y Li a o y u g o u p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s b o x v i a d u c t o n t h e Z h e n g Lu o h i g h wa y， f o ur s t r e n g t h e n i n g me t ho d s a r e a d o p t e d c o mp o s i t e l y t o s t r e n g t h t h e b ri d g e ， i e s t r e n g t h e n i n g wi t h r e i n f o r c e me n t c o n c r e t e ( RC ) ， e x t e ma l p r e s t r e s s e d s t e e l s t r a n d ， c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o ly me r( C F R P) a n d b o n d e d s t e e 1 A c c o r d i n g t o t h e r e s p e c t i v e s tr e n g t h e n i n g e f f e c t i v e n e s s o f e a c h me t h o d t h e o p t i ma l s t r e n gth e n i n g p r o g r a m i s d e s i g n e d a n d t h e s t r e n gth e n i n g t e c h n o l o g y i s e s t a b l i s h e d， whi c h i s s u c c e s s f ul l y a p pl i e d i n t h e s t r e n gthe n i n g f o r t h e v i a d u c t Co mp o s i t e s t r e n gthe n i n g me t ho d o f f e r s a n e s s e n t i a l l y i n s t ruc t i v e a p p r o a c h t o the s t r e n 【g t h e ni n g for s o me s i mi l a r c o n t i n u o u s b o x g i r d e r s Ke ywor ds ： p r e s t r e s s e d c o n c r e t e ； c o n t i n u o u s bo xg i r d e r ； c o mpo s i t e s t r e n g t he n i n g； d e s i gn a n d c o n s t r u c t i o n 0 引言 由于设计荷载较低造成桥梁的承载能力不足 、 设计 和施工 的先天不足 ， 或者养护 和加 固方法不 当 ， 使 我国公路桥梁 中有 相当一部分桥梁需要进行加固维修， 以延长桥梁的使用年限。 连 续箱 型桥梁在实际工程 中有着广泛的应用 ， 针对该桥 型开展加 固性能研究具有重要的工程应用价值。 目前， 常用的加固技术主要有体外预应力 、 粘贴钢板、 增大 截面和粘贴碳纤维等加 固方法 _ l _ 。 但 是 ， 由于单个加 固方 法 自 身缺 陷 ， 加 固的有效性各 不相 同。 复合应用不 同加 固技术手段 ， 取长补短， 使连续箱型桥梁的加固目标和手段更为明确 ， 为该 桥型在未来的加固维修中提供强有力的技术参考。 1 工程 概 况 廖峪沟高架桥是连霍国道主干线郑州至洛阳高速公路控 制性工程， 建于 1 9 9 7 年 ， 位于河南省巩义市境内。 郑洛高速公路 按平原微丘区双向四车道标准设计， 计算行车速度 1 0 0 k m h ， 桥 梁采用分离式， 单幅桥净宽 1 1 0 + 2 x 0 5 iT I ， 设计荷载： 汽一 超 2 0 ， 挂一 1 2 0 。 桥梁上部结构 为 5 x 4 5 m单箱单室预应力混凝 土等高 度连续 箱梁 ， 桥 中心线 处箱 梁梁高 3 m， 顶 板宽 1 2 In， 底板 宽 5 4 i n ， 采用顶推法施工 。 下部结构为钢筋混凝土箱型薄壁墩 、 钻 孔灌注混凝土群桩基础。 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 9 1 2 基金项 目：华北水 利水 电学 院青年科研基金 l 1 6 在正常运营 1 0年后， 廖峪沟高架桥南半幅第一 、 五跨箱梁 腹板斜裂缝较多、 第三、 五跨箱粱腹板斜裂缝较严重， 尤其第五 跨贯穿底板裂缝最多， 裂缝与水平方向夹角约 3 0 。 4 5 。 ， 其他各 跨情况较好， 裂缝以主拉应力引起的混凝土开裂为主， 裂缝宽 度较宽。 北半幅裂缝主要分布在墩台附近， 裂缝与水平方向夹 角约 3 0 。 5 。 ， 裂缝 以主拉应力 引起 的混凝土开裂为主。 由于局 部混凝土开裂 ， 钢筋遇水锈蚀膨胀引起多处混凝土崩落 。 裂缝 的 存在为桥梁的安全运营带来很大的隐患 ， 严重影响桥梁 的正常 使用， 决定对廖峪沟高架桥进行加固。 54 S0 n 图 1 廖峪沟桥型 图 2 复合加固设计 针对廖峪沟高架桥的病害特征， 应对底板和腹板裂缝， 进一 步提高桥梁的承载能力， 应对日益增多增大的车辆荷载 ， 决定 采用增大箱梁截面、 布设体外纵向预应力筋、 铆贴钢板和粘贴 碳纤维布 4 种加固措施复合应用的方法， 称为“ 复合加固法” 。 2 1 加 固设 计 目标 ( 1 ) 确保桥梁满足正常使用情况下结构的极限承载力。 ( 2 ) 改善箱梁腹板的主拉应力情况 ， 避免裂缝进一步的发展 。 ( 3 ) 提高箱梁最小压应力， 加大桥梁安全储备。 ( 4 ) 保证加固后桥梁梁体外观如新。 2 2加 固措 施 ( 1 ) 增设体外预应力钢束。 在箱体梁体内布置体外纵向预应 力弯起钢束， 提高桥梁的承载力储备， 减小腹板主拉应力， 使加固 后的高架桥达到公路 I 级的荷载标准， 并保有一定的安全储备。 ( 2 ) 增强腹板。 在箱梁腹板 内侧铆黏钢板 、 腹板外侧贴碳纤 维 ， 并在腹板 内侧挂钢筋 网 ， 灌注水泥基 灌浆材料增 大腹板 截 面尺寸 ， 增强腹板抵抗 主拉应力 的能力。 ( 3 ) 裂缝 处理 。 裂缝 宽度 0 1 mm 的裂缝采用压浆 法进行 修补， 裂缝宽度 0 1 mm的裂缝采用封闭法进行修补。 ( 4 ) 蜂窝 、 麻面、 空洞的处理。 将蜂窝、 麻面 、 空洞周围凿毛、 洗净， 用水泥基灌浆材料修补。 ( 5 ) 掉块 、 露筋的处理。 将钢筋的锈迹清除， 并把松动的混 凝土凿去、 洗净， 用环氧砂浆修补。 2 3 复合 加 固设计 根 据高架桥施工 图中桥跨结构 及预应力 钢束布置 ， 顶底板 纵向预应力钢束有效预应力按原设计取值， 张拉控制应力取钢 绞线标准强度值的 6 0 ， 即 l 1 1 6 MP a 。 ( 1 ) 预应力钢束布置。 沿腹板布置纵向弯起钢束， 在第一跨 至第四跨箱体内布设 6 束 l 5 7的预应力纵向弯起钢绞线束， 第 五跨箱体内布设 4束 1 5 - 9的预应力纵向弯起钢绞线束。 考虑到 转向块将对箱梁顶底板产生较大的竖向力 ， 第一跨至第四跨用 分离式隔板作为转向板 ， 并起 t i D N 强腹板的作用 ， 在第五跨采 用了转向块； 在桥梁梁体两端分别设置锚固板， 具体见图2 。 图 2 腹板内侧 纵向体外预应 力钢束 ( 2 ) 腹板外侧粘贴碳纤维。 根据桥梁斜裂缝的方向和梁体 开裂的程度， 碳纤维粘贴倾斜了 3 0 。 ， 间距为 6 O 、 5 O 、 4 0 c m， 见 图3 。 在北半幅第二、 四跨跨中 l 5 m内粘贴碳纤维间距 6 0 c m， 其 余粘贴碳纤维间距 5 0 c m， 第一、 五跨跨中 1 5 m内粘贴碳纤维 间距 5 0 o m， 其余粘贴碳纤维间距 4 0 c m， 第三跨粘贴碳纤维间 距 5 0 c m； 在南半幅第二 、 、 四跨跨 中 1 5 r n内不 布置碳纤 维 ， 其余粘贴碳纤维间距 5 O o m， 第一、 五跨粘贴碳纤维间距 4 0 c m。 图 3 腹板外侧粘贴碳纤维布 ( 3 ) 腹板内侧铆黏钢板。 根据桥梁斜裂缝的方向， 钢板铆黏 倾斜了 3 O 。 ， 第一、 五跨及腹板局部加强按间距 4 0 c m布置 ， 第 图 5 增大箱梁截面和底板修补 3 复合加 固施 工 3 1 加固施工阶段的交通管制 在高架桥加固施工过程中必须对交通进行管制。在张拉预 应力施工阶段 ， 交通必须分幅断行 ， 其余加固施工阶段可不中 断交通 ， 但需 要尽量减 小车辆作用 荷载 ， 减少 车辆振动影 响新 老结合面的结合效果，采取如下措施以确保加固施工的安全、 顺 利进 行 ： ( 1 ) 桥上车辆荷载应限制为公路 I 级双车道标准， 并限速慢 行( 4 0 k m h ) ， 保持不少于 2 0 1 T I 的车距。 ( 2 ) 施工期间， 要加强交通管制， 在单幅通行时应避免在桥 梁上发生堵车现象。 ( 3 ) 对重 车应预先通知绕行或控制为单车过桥 。 3 2 复合加 固施 工 流程 依据后 期施工加 固措施 不影 响或少 影响前期 施工 的加固 效果 、 兼顾施工方便的原则， 制定出下列优化的复合加固施工 流程 。 ( 1 ) 各跨旧混凝土接触面清除松散层、 浮灰、 油污， 并用高 压水对基 面冲洗 ， 保证基 面洁净 。 ( 2 ) 采用压浆或封闭法修补箱梁内、 外部裂缝。 ( 3 ) 在各跨转 向板 、 锚 固板位置钻孔植入锚 固钢筋 ， 布设钢 筋并浇筑混凝土 ， 完成转 向板和锚 固板的施工。 ( 4 ) 由第一跨 向第五跨逐跨交替对称 张拉 箱体 内部纵 向体 外弯起预应力钢柬。 ( 5 ) 逐跨逐段在腹板外侧粘贴钢板， 打铆钉孑 L ， 打人铆钉 ， 植入拉结筋挂钢筋网片， 并抹一层 1 c m厚的混凝土。 1 1 7 ， 0 一 ( 6 ) 由中跨向边跨腹板内侧支模浇筑水泥基灌浆材料。 ( 7 ) 箱梁腹板外侧粘贴碳纤 维。 ( 8 ) 在箱梁底板表面刷界面剂 ， 抹一层 1 c m 厚的修补砂浆 挂 4 1 5 0 mmx l 5 0 mm网片， 并用射钉或短锚筋固定以防面层 脱落。 3 3复合 加 固施 工 ( 1 ) 裂缝的处理。 首先清理裂缝处混凝土表面 ， 用丙酮或二 甲苯或酒精擦洗， 干燥后， 对缝宽小于 0 1 ml n的裂缝表面反复 ( 间隔 3 5 mi n ) 涂刷环氧树脂浆液封缝处理 ， 涂层厚度达 1 mm 左右为止 ； 对缝宽大于等 于 0 1 n l l n和具 有贯通性 的裂 缝采用 压浆处理 。 压浆 的施工工艺【 5 J 为 ： 裂缝处理一埋设 灌浆 咀( 沿裂缝方 向 间隔为 3 5 0 5 0 0 mm) 一封缝( 涂层厚 5 mm左右、 宽 5 0 m i l 1 ) 一 封缝检查 一配制浆液一灌浆 ( 灌浆压力为 0 2 - 4 ) 4 MP a ) 一封 口 处理 一检验 。 ( 2 ) 腹板 内侧铆黏钢板。 在构件外部用结构胶粘贴钢板 ， 并 用异形铆钉将钢板铆接于表面， 使钢板与构件协同作用共同承 担荷载， 起到增加构件钢筋的作用 ， 提高构件抗冲击和动载性 能 ， 达到对原构件加 固的目的。 铆黏钢板 T艺过程： 钢板条制作一混凝土面和钢板面处理一 ( 3 ) 粘贴碳纤维布 。 碳纤维布粘贴施工工艺 ： 基底处 理一配 制底胶一涂刷 底胶一裁剪碳纤 维布一配制 面胶 一涂面胶一 粘 贴碳纤维布一检验一 罩面防护处理。 ( 4 ) 增大箱梁的截面。 增大截面的施工工艺 ： 原构件 混凝 土 表面处理一植钢筋网片拉结筋一挂钢筋网片一支模板一灌注 水泥基灌浆材料一拆模一检验 。 另外， 植筋施工和箱梁底板修补工作严格按照规范施工即可。 3 4 复合 加 固施 工监 测要 求 3 4 1 测量桥面标高 ( 1 ) 桥面标高测点位置： 各桥跨的墩顶 、 L 8 、 L 4 、 3 L 8 、 L 2 t 。 ( 2 ) 测量桥面标高步骤。 加固施工前测量上述位置各点 的桥面标高。 张拉纵向体外预应力钢束后各测点的桥面标高。 加固施工完成后测量各点的桥面标高。 3 4 - 2 测量梁体应力 ( 1 ) 测点位置 ： 各跨墩顶跨 中上下缘 。 ( 2 ) 测量内容及步骤。 张拉纵向体外预应力钢束前测量 各点的变形值。 张拉纵向体外预应力钢束后测量各点的变形 值。 比较张拉纵向体外预应力钢束前后梁体的应力状况， 以 检验梁体 的加固效果 。 在复合加固后， 预应力混凝土连续箱梁控制截面的变形和 配胶 一涂胶一钻孑 L 、 打铆钉 固定钢板一检验 。 应力 见表 1 ， 均满足现行规范的要求。 表 1 复合加 固后各跨跨中的挠 度和应 力 注 ： 挠度 向下为正 ； 压应 力为正 。 4结 论 在试 验荷 载作 用下 ， 箱梁混凝土表面粘贴的钢板与原混凝 土结构共同受力变形 ， 箱梁混凝土表面 已封闭 的裂缝呈非活动 性 ， 表明在对箱梁进行裂缝灌浆封闭处理 、 铆贴钢板 、 粘贴碳纤 维布和增加箱梁截面后 ， 结构的受力裂缝得到有效控制 ， 使用 工作性能得到恢 复， 充分说明复合加 固补强措施行之有效 。 该桥 加固补强正常通车后没有出现新 的裂缝开展情况 ， 运营 良好 。 参考文献 ： 【 1 J T G 厂 r J 2 3 -2 0 0 8 ， 公路桥梁加 固施工技术规范 s 】 北京 ： 人民交通出 版社 ， 2 0 0 8 2 彭卫， 蒋云昕 预应力混凝土连续箱梁桥的养护与加固 J 】 _ 混凝土， 2 0 0 7 ( 7 ) ： 7 1 7 3 ， 7 8 上接第 5 1页 2 何伟洲 冷轧带肋钢筋在住宅建筑上的应用【 J 1 住宅科技 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 6 ) ： 3 5 3 9 【 3 】王依群 ， 王福智 钢筋与混凝土 间的黏结滑移 在 A N S Y S中的模拟 J I _ 天津大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 2 ) ： 2 0 9 2 1 3 4 】G B 5 0 1 5 2 -9 2 ， 混凝土 结构试验方法标准 s E 京 ： 中国建筑 工业 出 版社 ， 1 9 9 2 【 5 周志强 黏结构件 黏结性能的 内聚力模 型分析 D 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 6 ， 【 6 凌道盛 ， 韩超， 陈云敏 数学网格和物理网格分离的有限单元法 ( I I ) ： 黏聚裂纹扩展 问题中的应用叨计算力学学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 3 ) ： 4 O 8 _ 4 1 4 1 1 8 3 张立超， 赵煜澄 预应力混凝土连续箱梁桥的加固设计与施工监测m 桥梁建设 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 5 9 6 2 4 】Z HA O Y a n g ， L I xi a ( 卜 k e ， WA N G Z h i - y o n g ， e t a 1 A p p l i c a t i o n o f c o m p o s i t e s t r e n g t h e n i n g t e c h n i q u e i n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s b o x b e a m b r i d g e s C I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n E n g i n e e ri n g C o mp u t a t i o n ， 2 0 1 0 ： 7 01 - 7 0 4 5 刘柱 国 预应 力混凝土连续 箱梁的检 测及维修加 固I J J 公路交 通科 技 ： 应用技术版 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 1 0 9 1 1 0 ， 1 1 3 6 刘星笑 ， 彭勇均预应力混凝土连续箱梁加固f J 四I 建筑 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 2 2 2 - 2 2 5 作者简介 单位地址 联系电话 赵洋 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 硕士 ， 讲师 ， 从 事桥梁与隧道工程方面的 教研 工作 。 郑州市北环路 3 6号 华北水利水电学院( 4 5 0 0 l 1 ) 0 3 7 1 65 7 9 0 2 3 7 7 牟晓光 高强预应力钢筋黏结性能试验研究及数值模拟 D 大连： 大 连理工大学， 2 0 0 5 I 8 】 毛土明 冷轧螺旋钢筋的黏结性能及其混凝土板的受弯性能的研 究f D 】 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 1 0 9 王传志 ， 滕智明 冈筋混凝土结构理论 M 北京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 8 5 作者简介： 陈g ( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士研究生。 单位地址 ： 浙江大学紫金港校区建筑工程学院 ( 3 1 0 0 5 8 ) 联 系电话 ： 1 5 0 8 8 6 8 7 7 1 6