加固连续箱梁应力监控

曹 阳

(中铁二局股份有限公司，四川成都610031)

1 工程概述

1.1 连续梁概述

某双线特大桥(25+40+32)m连续梁为预应力混凝土连续箱梁，范围为46#～49#墩三跨，主墩为47#、48#墩。梁体为单箱单室、等高度、等截面箱梁结构。箱梁顶宽12 m，箱梁底宽6.7 m，梁高3 m。全桥顶板厚35～60 cm，边跨底板厚30～60 cm，主跨底板厚30～70 cm，腹板厚40～90 cm，按直线变化。梁段分为0#～6#块。其中6#块为边跨直线段；5#块为边跨、中跨合龙段。0#块长10.0 m，高3 m，腹板厚0.9 m，底板厚0.604～0.7 m，顶板厚0.35～0.6 m；1#～4#块长度为(3.5×2+3.5×2+3.5×2+3.5×2)m，采用挂篮悬臂施工。其中3#、4#节段顶板处设计预应力索：

1.1.1 顶板纵向预应力索布置

顶板在腹板及加厚段范围内，3#节段顶板每侧有2索N4、2索N5和3索N6,每侧共7索；4#节段顶板每侧有2索N5和3索N6，每侧共5索。其中：内侧N4索距顶板底部倒角28 cm；内侧N5索距顶板底部倒角48 cm；外侧N4索距顶板底部倒角68 cm；内侧N6索距顶板底部倒角88 cm。在顶板中部(35 cm厚)范围内，3#、4#节段有2索N14,间距226 cm。2索N14，一端锚固在小里程梁端，另一端在3#节段顶板内设上齿块锚固，上齿块长250 cm，距节段缝50 cm。

1.1.2 横向预应力索布置

3#、4#节段顶板各有7索，共14索，纵向间距50 cm，位于顶板底部，距顶板底面10 cm, 距顶板顶面25 cm。

在腹板及加厚段范围内，3#节段7索位于纵向N4、N5和N6下方；4#节段7索位于纵向N5和N6下方。

在顶板中部范围内(35 cm厚)，3#节段后5索(靠大里程方向)位于纵向2索N14上方；3#节段前2索(靠小里程方向)及4#节段7索位于纵向2索N14下方。

桥跨布置示意图见图1。

图1 桥跨布置示意

1.2 损伤状况

由于在架设该桥45#～46#墩24 m简支箱梁过程中，运架一体机提梁行进至就位时，造成支承于连续梁顶面的辅助滚轮支点处造成局部荷载过大，导致该连续梁局部梁段顶板出现损伤。

顶板开裂部位位于46#～47#墩25 m边跨3#、4#节段。顶板顶面2个塌陷中心位置距离梁体端部9.85 m，距离翼缘板边缘5.05 m；塌陷范围长80 cm，宽30 cm。顶板底面在两侧内倒角尖各有一条裂缝，两缝间距4.1 m，裂缝长顺桥向6.5 m，距离边跨梁端7.0～13.5 m范围内。其余范围混凝土均没有受损。梁体受损示意图见图2和图3所示。

1.3 补强修复施工概述

针对顶板混凝土及纵横向预应力筋的损伤，本着安全、合理、实用的原则，按照有关规范要求制定了一系列的补强措施。

1.4 补强修复施工要点

1.4.1 施工要点

(1)在凿除顶板受损混凝土时，应间隔分段凿除，然后进行顶板混凝土恢复施工，待新浇筑混凝土达到强度要求后再进行下一段的凿除工作，分段长度控制在1.5 m以内，施工过程中，应对两腹板间距及箱梁腹板底部、底板下缘混凝土应力进行监测，以防止腹板变形开裂。

(2)在顶板破损区范围内，原样保留预应力筋及普通钢筋的前提下，凿除顶板混凝土，并清理干净；

图2 受损示意

图3 3#、4#节段顶板受损范围

(3)凿除顶板混凝土后，在新老混凝土结合面处进行植筋处理。

(4)距横向边缘20 cm，预应力边缘5 cm范围内砼凿除需采用人工进行，禁止风镐作业。

(5)重新浇筑顶板混凝土和两束N14顶板预应力束锚固齿块，待混凝土达到一定强度张拉横向预应力筋和纵向预应力筋。

(6)预应力筋张拉工作结束后，拆除施工设施，清理施工场地。

1.4.2 植筋工艺要点

本桥在顶板修复过程中在新老混凝土结合面处采用了植筋处理，以增强新旧结构间的结合力和抗剪能力。

植筋所采用的钢筋均为Ⅱ级钢筋。

植筋所采用的药剂为专用植筋粘结剂。药剂必须具有产品成熟、适合小间距作业、快速凝固、强度高的特点。对于拱座部位的纵向受力钢筋，应保证钢筋达到屈服而不被拔出。

植筋钻孔使用的钻机必须具有产品成熟、可导向定位、可贯通钢筋砼中的钢筋、震动小、不损坏结构表面、成孔快、孔径孔深准确等特点。

植筋钻孔前，应使用混凝土保护层厚度仪对原结构内的钢筋、波纹管位置进行判定，尽量保证钻孔不破坏原结构内的钢筋。钻孔应达到设计要求的深度。

植筋所用钢筋为φ16钢筋，钻孔直径为20 mm。施工时不得随意增大钻孔直径。

植筋钻孔时，应尽量确保钻孔方位，以防钻穿相邻植筋孔。成孔后，应用圆刷子清孔，再用高压气体吹出灰尘，并保持孔内的干燥，然后从底部打入药剂，旋转植入钢筋。为了保证施工质量，建议植筋修复施工亦由专业修复施工单位施工。

2 修补过程中受力分析

施工过程中凿除部分顶板会导致横向预应力束对剩余部分的腹板和底板产生不利作用。因此，评估横向预应力对箱梁结构的影响以及评估加固过程中安全性必须采用空间实体有限元模型图4。根据实际状态，选取沿纵向1.5 m凿除顶板范围计算分析，以获取最不利的受力状态，保证结构的安全性。

图4 应力分布

对最不利工况进行分析计算可知：当凿除长度控制在1.5 m时，结构底板下缘会出现1.28 MPa的拉应力(表1)，但该值小于规范规定混凝土抗拉设计强度1.96 MPa(C55混凝土)，不会出现开裂现象，腹板上不出现拉应力(表2)。

表1 顶级沿纵向凿除1.5 m时的应力

表2 规范规定的混凝土设计程度

由于结构上出现大面积的开裂和压溃等塑性变形，建议对结构进行加固过程时，应合理组织施工，并采取结构保护措施，严格监控施工过程中各部位的应力发展和变形趋势。

3 现场监控

在整个修补施工过程中，根据受损情况，在相应点安装传感器，随时监测结构关键部位的应力和变形情况，及时反馈给设计、施工各方，防止结构中出现过大的应力和变形，避免结构再次出现损伤，尤其是损伤混凝土拆除、预应力张拉等阶段。

3.1 监控内容

(1)变形监测包括两侧腹板距离的变化和桥跨结构整体竖向挠曲的变化。两侧腹板距离的监测主要是为了保证混凝土拆除过程和新加混凝土浇筑等阶段，尽量做到腹板距离零变化，防止在腹板和底板上不产生过大的横向附加应力。桥跨结构整体竖向挠曲变化主要是观察新增加重量对结构自重的影响，与理论值比较可以验证新加结构对整体的影响情况。变形监测有原单位负责。

(2)应力监测包括顶板保留部分横向应力、顶板新加混凝土横向应力和底板混凝土纵向横向应力。目的是监测和防止顶板和底板中出现过大应力，造成混凝土开裂。

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(3)原横向预应力束会对腹板产生不利作用，为了保证结构的安全性和完整性，须严格限制两腹板之间距离的变化。建议在施工过程中分段凿除，分段长度控制在1.5 m以内。当修复顶板开槽纵向距离大于1.5 m时，应根据现场监控数据进行具体分析。

3.2 测点布置

通过实体有限元模型计算分析可以看出，最大拉应力是在底板处，因此，传感器布置原则是在低板受力最大拉应力位置安装(图5)。

图5 测点布置(单位：cm)

3.3 监控仪器与传感器安装

3.3.1 测试仪器

测试仪器采用振弦式传感器，它是目前国内外广泛使用的一种传感器，由于直接输出的是自振频率信号，因此有很强的抗干扰能力和并且受电参数影响小，零点飘移小，受温度影响小，性能稳定可靠，耐震动，寿命长等特点。钢弦的振荡频率可以由下式确定：

表3 测试结果

式中：f0为振荡频率；l为钢弦有效长度；σ为应变；ρ为钢弦密度。

我们采用的是成都金码公司生产的振弦式表面应变计，它由应变计、安装夹具、信号传输电缆等组成，其主要技术参数，量程： 1200με，灵敏度：1με，精度：≤1%F＊S符合测试要求(图6)。

图6 表面应变计

当被测结构物发生变形时，将带动表面应变计产生变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出引起被测结构物变形的应变量。同时可同步测出布设点的温度值。

3.3.2 传感器安装

由于传感器安装好坏直接影响到测试精度，所以传感器的安装很重要(图7)。

图7 传感器安装

3.4 测试结果与分析

根据对测试原始数据分析处理，剔除不合理数据，得到如表3，总体观测结果与计算结果符合，当温度降低时，由于裸露钢筋的热涨冷缩的作用，使得在低板中部的853号和848号处传感器应力变大的规律，找出表中最不利的数据33.3με进行计算。根据公式：

σx=Eμε= 3.60×10^4×33.3×10^-6(max)=1.20 MPa< 1.28MPa(计算值)<1.96 MPa(设计抗拉应力)

通过以上计算分析可知，在目前的工况情况下属于临界安全范围内，需随时注意应力值变化，当测试到的应力大于规定值时，应发出报警到监理和施工单位，停止施工检查原因。

4 结束语

该桥梁采用的加固方法合理，在理论计算控制范围内。所以，当桥梁发生损伤进行加固时，合理的施工方法和施工步骤以及在施工过程中严密监控各个施工阶段结构的应力变化非常重要，以免发生二次损伤。

[1] 章关永.桥梁结构试验[M].第2版.人民交通出版社，2010

[2] JTG/F 50-2011 公路桥涵施工技术规范[S]

[3] GB 50010-2002混凝土结构设计规范[S]

[4] 刘自明,陈开利.桥梁工程检测手册[M]. 第2版. 人民交通出版社,2010

[5] 王国鼎,袁海庆，陈开利.桥梁检测与加固[M].人民交通出版社,2003