预应力混凝土连续弯箱梁桥病害分析及改造

预应力混凝土连续弯箱梁桥病害分析及改造

1压同步技术在梁桥加固中的应用近年来，预制混凝土连续墙桩桥在中国的大型交叉口应用广泛。但由于早期对连续弯箱梁桥设计与施工上的认识不足,致使其在施工及营运过程中经常出现一些病害,如某些弯桥在验收或运营阶段出现支座变形、脱空,弯桥出现扭转过大而导致整体翻转和滑移等病害。PLC液压同步技术是通过液压千斤顶,在不改变原桥形态的前提下,将桥梁安全、平稳地顶升至预定高度的技术。该技术在国外的使用时间较长,在国内最初仅用于单片预制梁的架设和移位。随着该技术的发展与既有桥梁加固改造的需求,其应用范围不断扩展。目前已成功应用于既有桥梁的支座更换及整体顶升工程中,如天津狮子林桥改造工程(整体抬升1.27m)、上海南浦大桥引桥改造工程(整体抬升0.698～5.782m)等项目。但在国内、外将该技术应用于连续弯箱梁桥的顶升纠扭改造中尚不多见。鉴于上述问题,本文以上海市A1、A30立交中S1、S3匝道桥为实例,在对预应力混凝土连续弯箱梁桥病害原因进行分析的基础上,从病害弯桥的改造设计、同步顶升施工及改造效果评估上进行分析,提出采用不对称布顶方式进行同步顶升,并对箱梁进行纠扭,最后运用PLC同步顶升系统测定支座反力,以了解改造效果。2s1、s1匝道桥A1、A30立交为互通三层式样,建于1997年,位于上海市迎宾高速公路与远东大道交汇处。立交中S1、S3匝道桥(见图1)总长分别为664.1m和612.1m,计算荷载为汽车-超20级,验算荷载为挂车-120。上部结构采用六跨一联的预应力混凝土连续箱梁,采用单箱双室截面,梁高1.8m。每跨设1道跨中横隔板,墩顶设横隔梁。中、边墩处梁下分别布置1个、2个盆式橡胶支座。3全箱梁顶升系统改造2008年6月对S1、S3匝道桥箱梁横坡进行检测,由检测结果可知,多数桥跨箱梁外侧比内侧低,S3匝道桥情况略好于S1匝道桥。由于弯箱梁外侧本身设有超高,外侧低于内侧说明箱梁向外侧扭转严重,已造成反超高现象,同时梁体有明显横向位移并伴随有支座脱空(见图2)及梁体扭转的现象,这对桥梁结构和行车安全造成了影响。分析发现,早期对连续弯箱梁桥的特点认识不足,设计基本布设单柱单支座,箱梁整体抗扭能力较差。另外在运营过程中,车辆超载和超速对梁体的影响较大。利用MIDAS软件计算分析表明:车辆超载及超速所造成的离心力超出设计要求,另外超载产生的制动力也超出设计值,产生的支座振动容易引起支座摩阻力减少。文献研究表明,由预应力钢束产生的预加力荷载和日照温差也是引起弯箱梁桥出现支座脱空和扭转变形过大的因素之一。鉴于连续弯箱梁结构病害特征已较为明显,如偏移继续增大,结构将趋于更加不利状态。同时在目前桥梁结构脱空状态下,机动车通行造成桥梁结构的振动较大,从结构疲劳的角度考虑也十分不利。因此,应尽快对匝道进行整修,保证结构安全性与耐久性。为改善S1、S3匝道桥箱梁扭转、偏位的不利状况,经过多方案对比、论证,最终采用通过在原墩柱上新增预应力混凝土盖梁后,对箱梁进行同步顶升更换损坏支座以恢复支座的转动能力。在此基础上,对箱梁进行竖向顶升纠扭使弯桥基本恢复原设计状态,并增设支座以加大箱梁的抗扭转能力。改造维修后桥梁总体状态应基本和原设计一致,桥梁可开放双车道运营恢复原通行能力。根据以上改造目标与桥梁实际情况,工程相关控制点包括:顶升系统应能达到多点力与位移的同步,顶升力应有一定的富余;改造中对外侧支座顶升力、支座转角及桥面高程进行监测;顶升过程应对箱梁相关危险点进行应变检测,防止箱梁产生不可恢复变形。4全球同步同步失真经过多方论证,该桥采用“先同步顶升更换支座,再顶升纠扭新增支座,最后顶升测定支座反力”的顶升施工思路,工程的总体改造工序安排见图3。4.1顶升方式顶升该工程采用国内较为先进的PLC多点同步液压顶升控制系统,其顶升(降落)精度可达±0.50mm。同步顶升时每墩设置1个顶升控制点,同步顶升为七点同步控制,采用2台顶升车联机同步。同步顶升前通过同步试顶确定顶升参数。试顶阶段采用墩柱两侧对称布顶方式顶升,在千斤顶达到估算顶升重量时,位移传感器的变化不大,但径向外侧百分表数值明显小于径向内侧的百分表数值,表明对称布顶的各墩千斤顶未能同步,弯箱梁扭转有加剧的趋势。这主要是由于匝道箱梁扭转、偏位导致箱梁中心线与墩柱中心线存在一定的偏差,箱梁外侧的重量大于内侧,为此提出采用不对称布顶的方式(见图4)进行同步顶升。采用不对称布顶同步顶起箱梁后,拆除损坏支座、安装新支座。安装新支座时,支座顺桥向中心线必须与主梁中心线重合或平行,安装角度为各支座纵向移动方向与桥梁分孔线之间的夹角。新支座安装完毕后同步分级回落千斤顶,当箱梁距支座顶板约5mm时,采用灌注器将环氧砂浆注入间隙内,待其固化并达到强度后回落箱梁至支座上。4.2第1阶段顶升纠扭工艺监控与安装同步顶升纠扭分2个阶段完成:第1阶段顶升纠扭以弯桥整体姿态控制顶升方案,使箱梁的整体姿态基本恢复原设计状态,即以控制中墩支座转角与桥面高程为主,顶升力监控为辅;第1阶段顶升纠扭达到预期效果后,开始安装新增外侧盆式支座。外侧支座主要为代替顶升力,使附加扭力恒定,平衡和抵消弯桥产生的扭矩,使中墩起到抗扭作用。根据有限元分析,第1阶段顶升纠扭可分为2个步骤进行:①在顶升力达到400kN时,支座脱空现象可得到改善;②在顶升力达到800kN时支座受力基本均匀,纠扭基本可达到预期效果。考虑到实际受力状况与理想分析模型之间的差异,千斤顶顶升力应有足够余量,故采用2台200t千斤顶同时顶升,典型千斤顶布置见图5。4.3外侧支柱安装在箱梁基本恢复原设计状态后,为保证改造后效果,在中墩内、外侧各新增1个盆式支座。外侧支座在实测顶升力达到设计要求反力后进行安装,主要作用为代替顶升力,使附加扭力恒定,平衡和抵消弯桥产生的扭矩及使中墩起到抗扭作用。内侧支座在同步顶升更换支座完毕、千斤顶卸荷落梁后进行安装,主要为增强桥梁传递上部活载的能力,不参与分担恒载。在外侧支座完全受力后,在24h内每隔6h观测并读取位移传感器、百分表数据,确定新增支座与桥梁的状态。在此基础上重新同步顶升箱梁,对支座反力进行测量。5改造效果评估5.1高程差、径向位移变化量桥面坐标测量主要有2个目的:一是反映桥面纵向线形的整体变化;二是各跨跨中梁体横坡不方便测量时,可通过坐标测量方法来解决。S1匝道桥调整前、后桥面各测点高程差、径向位移变化量见图6。分析可知:内侧测点高程平均降低7mm,最大降低14mm,平均径向位移变化量为6mm,最大径向位移变化量为20mm;外侧测点高程平均降低3mm,最大降低9mm,平均径向位移变化量为7mm,最大径向位移变化量为20mm。由此可见,梁体的扭转偏位情况得到一定程度的改善。其中,径向位移为正时表示背离箱梁圆心方向,为负时表示指向圆心方向。5.2梁底横坡平均变化S1匝道桥改造前、后桥墩处的横坡实测数据见图7。由图7可知,S1匝道桥梁体纠偏前9号～13号(2号～6号测点)墩处梁底横坡为负,经过纠偏其横坡均变为正,得到很大程度的改善。其中,中墩处梁底横坡平均变化1.15%,最小变化1.05%;边墩处梁底横坡变化分别为0.90%与1.30%,箱梁扭转得到一定程度的改善。5.3外侧无起落架时的理论反力目前对已安装支座的实际反力还没有直接有效的测试方法。该工程采用PLC顶升系统测量支座反力,即在安装完外侧支座后将千斤顶在原位顶升箱梁,待箱梁底面与支座顶板脱空时,此时千斤顶顶升力即为外侧支座反力。该工程采用如下2个方法近似判断支座脱空状态。(1)在千斤顶顶升过程中,箱梁底面与支座顶板脱空前,千斤顶顶升力与顶升位移关系为图8中OA段,其斜率为支座受压刚度和梁体的抗扭刚度;当支座脱空后,顶升力与顶升位移关系为AB段,其斜率为梁体的抗扭刚度。由此可知,图8中曲线的拐角点对应的顶升力F0即可视为支座反力,Δh可视为千斤顶回落后的支座压缩量。由于梁体抗扭刚度比支座受压刚度小得多,AB段理论上应比较平缓。(2)支座反力测量过程中,通过监测箱梁两侧的百分表读数确定最终的反力值,即当外侧百分表行走约10.0mm时,即认为外侧支座已处于脱空状态,此时顶升力与支座反力相等。通过顶升力与箱梁位移的关系及位移回调值可推定外侧支座的理论反力见表1。由表1可知,虽然支座反力推定值较设计值大,但无论外侧支座还是边墩支座均已开始受力,可见改造达到了预期效果。6弯箱梁顶升改造(1)由于曲率半径的存在,预应力连续弯箱梁桥容易出现支座脱空和梁体扭转的问题。而超载、超速、预加力荷载和日照温差等原因是引起弯箱梁桥出现支座脱空和扭转变形过大的主要因素,因此在设计与桥梁运营管理上应引起重视。(2)合适的支座布置可以控制弯箱梁的扭转和平面变形。设计时可将中墩布设为双支座或三支座的形式,同时可增加端部支座的间距,增大梁端的抗扭作用,避免支座脱空。