连续梁桥加固技术施工监控研究

１２一　文章编号：１６７３—６０５２（２０１６）０４—００１２—０４　北　方　交　通　ＤＯＩ：１０．１５９９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｂｆｊｔ．２０１６．０４．００４　２０１６年第４期　连续梁桥加固技术施工监控研究　和兆建　（山西省交通科学研究院太原市０３０００６）　摘要：以某高速公路互通为工程背景，根据桥梁的受力特点，采用有限单元法进行理论计算。通过对连续梁　桥加固全过程进行现场施工监控，分析比较结构的应力、挠度改变量等的理论值和实测值。结果表明：经加固后连　续梁桥，桥梁线形及应变变化不大，底板压应力储备提高，达到了加固设计要求。　关键词：体外预应力；加固；连续梁桥；施工监控　中图分类号：Ｕ４４５．７　２　文献标识码：Ｂ　随着时间的推移和经济的发展，越来越多的桥　梁不适应交通的需要。对所有这样的桥梁进行拆除　新建将耗费非常巨大的资金，也是不可能的事，桥梁　加固维修成了解决这些问题的很好办法。　本文以某高速公路互通其中一联（３×３５＋３８．５　＋３１．５）ＩＴＩ为研究对象，通过有限元分析及现场测　量，来确定加固前、加固中及加固后的工作状态，确　定桥梁加固的效果。　１　工程概况　针对上述情况，采取以下加固措施：对主梁及桥　墩混凝土裂缝进行处理；梁体内增加体外预应力钢　束进行补强；箱梁粘贴抗剪补强钢板；梁体粘贴碳纤　维布。　为了保证加固施工过程中桥梁结构的安全性，　需对桥梁结构在加固过程中的主梁内力、梁体线型　及主梁病害的变化情况进行监测。　２　施工监控的目的和任务　连续梁桥属于超静定结构，在加固施工中对主　梁进行的各种加固措施，特别是采用对主梁施加预　某高速公路主线特大桥分左右两幅，单箱双室　截面，底板宽１０．８ｍ，顶板宽１６ｍ，梁中心线处梁高　２．２ｍ，顶底板厚度均为２６ｅｍ，腹板厚３０～６０ｅｍ。桥　墩采用双柱式钢筋混凝土桥墩和双柱式钢管混凝土　桥墩，基础采用钢筋混凝土灌注桩基础。桥梁设计　应力的加固方法，必将引起主梁内力和标高的变化，　其过程十分复杂，为保证加固措施的有效实施及加　固过程中大桥的安全稳定性，须在施工中加以有效　的管理、监控和监测。监控的目的和任务如下：　（１）确保桥梁结构在加固过程中的安全和稳　定。　荷载等级：汽车一超２０级，挂车一１２０；地震基本烈　度：８度。桥型布置见图１。　３５００　３５００　＋　３５００　３８５０．３１５０一西　（２）在桥梁加固施工过程中，特别是体外预应　力束张拉过程中为施工及设计反馈数据，做为控制　施工进行和调整的依据。　图１　桥型布置图　（３）确保结构内力状态及桥梁变形符合设计要　求。　３　施工监控内容　在每年的桥梁检测中发现主线桥箱梁底板存在　横向裂缝和纵向裂缝，腹板出现竖向裂缝和斜裂缝，　３．１施工过程中主梁各控制截面的内力观测　施工过程中应力测试采用振弦式混凝土表面应　且裂缝数量及宽度均有发展；箱梁底板、顶板存在混　凝土缺损、露筋等情况；回弹试验测得一些位置混凝　土强度低于原设计值。　力传感器及配套的频率接收仪进行内力跟踪监测，　必要时采用粘贴混凝土应变片配以高性能数据采集　２０１６年第４期　和兆建：连续梁桥加固技术施工监控研究　仪进行针对性的测试。　主梁测点传感器布置见图　测　２。　南　霞　：　图２　主梁测点传感器布置图　在加固施工过程中，随施工程序通过监控计算　分析，对各个施工工况进行一次主梁各断面应力测　试。主要工况为：主梁梁体浇注体外预应力齿板前　后；张拉预应力前后；粘贴抗剪补强钢板前后；梁体　粘贴碳纤维布前后；主梁施工完成后。　３．２预应力张拉过程中主梁各控制截面的内力观　测　预应力张拉过程中应力测试采用混凝土应变　片，通过ＴＤＳ一６０２高性能静态数据采集仪与自动　扫描箱进行测点应变测试及数据采集。并同｝昆凝土　表面应力传感器测量的数据进行对比、分析。主梁　测点传感器布置见图３。　南＿　一。。］ｆ　Ｔ…—］二　ｒ　ｉ　北　　ｌ叠　儿　爹　图３　主梁测点应变片布置图　（１）预应力张拉施工前，选一相对温度变化小　的时段（日落后），对所有测点进行一次观测。　（２）在预应力张拉过程中，对每一束预应力张　拉过程进行主梁各应力控制断面应力进行实时监　控、监测，以保证主梁整体结构及主梁局部部位的受　力安全。　（３）每一束预应力张拉完成后，应对主梁整体　结构及局部部位应力进行分析评价，对应力异常提　出预警报告。　（４）全部预应力张拉完成后，选一相对温度变　化小（尽量与张拉前相同）的时段对全部测点进行　一次观测。　３．３预应力张拉过程中主梁各控制断面的挠度观　预应力张拉过程中挠度ｉ贝４试采用百分表挠度测　试系统，通过高性能静态数据采集仪与自动扫描箱　进行测点挠度实时监控测试及数据采集、分析。　在第１跨、第２跨、第３跨跨中安装百分表，监　测主梁变形。挠度测点布设完成后，应及时进行现　场测试以便获得主梁预应力张拉前的数据。　（１）挠度测试应在预应力张拉期间进行观测。　（２）在预应力张拉过程中，对每一束预应力张　拉过程进行主梁各控制断面挠度实时监控、监测，以　保证主梁整体结构的变形安全、稳定。　（３）每一束预应力张拉完成后，应对主梁整体　结构挠度进行分析评价，对挠度变化异常提出预警　报告，并结合应力测试结果，判定结构是否处于安全　状态，然后方可进行下一束预应力张拉施工。　３．４张拉力的监测　预应力张拉过程中，张拉力的控制显得尤为重　要，传统方法均为油表控制，操作方便但精度低。本　桥在张拉过程中，选择代表性的两束预应力安装压　力环，配合油表读数，精确控制张拉力。压力环与预　应力永久锚固在一起，可作为后期健康监测使用。　４　仿真计算分析　通过建立有限元模型，模拟该桥主梁维修施工　过程各施工工序，得出相应理论计算数据。针对该　桥结构维修特点，采用平面杆系有限元程序桥梁博　士３．０建立模型。全桥共离散为１６４个杆单元，计　算模型见图４。计算体外预应力张拉后的变形图见　图５，主梁上下缘截面正应力图见图６。　图４计算模型　／一＼　／　—、、　—　二二二　—　图５　桥预应力张拉计算挠度曲线图　从上述计算结果看，预应力张拉产生的主梁挠　度最大为１．２８ｒａｍ，位于第５跨跨中。截面正应力　最大为１．１９ＭＰａ，位于第５跨下缘。　北　方　交　通　２０１６年第４期　１１１ＭＰａ　１．０７ＭＰａ　１　１８ｍｍ　截面匕缘正应力　㈠　　．：。　０　廿　ｊ　掰蕊　矗重薯　蟊　０　＾　，　∥　．、　籀　｝　㈦　蒂　。　＾　…ｊ　截面下缘正应力　　－　。图６　预应力张拉计算截面正应力图　５　数据采集及处理系统　５．１　数据采集　５．１．１在桥梁加固施工过程中进行数据采集的工　况　（１）主梁梁体浇注体外预应力齿板前后；　（２）张拉预应力前后；　（３）粘贴抗剪补强钢板前后；　（４）梁体粘贴碳纤维布前后；　（５）主梁施工完成后。　上述工况并将随着施工工艺、工况的改变而做　相应的调整。　５．１．２体外预应力张拉过程中进行数据采集和控　制的工况　（１）各测试点安装布设完毕后，即需进行初读　数；　（２）每…一束张拉完成前后立即测读一次；　（３）张拉稳定后再读取稳定读数；　（４）控制实测应力值小于等于理论控制应力　值；　（５）控制实测挠度值小于等于理论控制挠度　值；　（６）控制结构裂缝的长度及宽度的急剧增加。　５．２数据处理及监控系统　采集的数据经过处理后，即可进入监测监控系　统。该系统由传感系统、信息采集系统、数据处理系　统、评估系统及处理系统组成。监测监控系统流程　如图７所示。　６监控结果与分析　（１）加固过程中主梁病害发展情况。　本桥在加固施工中，首先进行桥梁裂缝及混凝　土缺损等病害处治，在处治完成后，定期进行现场查　看，未发现新的病害出现。在体外预应力张拉过程　中，主梁应力变化正常，原有裂缝无开裂及发展情　况，在主梁维修过程中，未发现新增裂缝情况。　（２）加固施工过程中主梁线形变化　￣３２－－３２况　进行并完成　计算机建立力学模型　工况控制内力及　数据的采集及实　数据的处理分析　实测控制内力及变形　各工况内力及变形理论　分析值与理论计算分　计算分析值的确定　析值的对比、验证　Ｊ断是否相霍≥———————　查找原因并进行解决　Ｊ断　施工　查找原因　计算最优调整量　工　实施调整　下一施工工况进行　图７施工过程中的监测监控系统　采用精密水准仪进行挠度测试，测试结果表明，　挠度变化基本在５ｍｍ范围之内，考虑到仪器测量精　度及桥面通车的影响，可以认为主梁线型无明显变　化。　（３）加固施工过程中主梁应变监测　在主梁各关键截面安装表面应变传感器，在主　梁加固施工全过程每天进行应力观测，并建立了应　力监测预警机制，发现异常数据及时分析，确保主梁　加固施工过程中的安全。　加固过程中，各测点应变与主梁箱内温度变化　趋势基本一致。呈现缓慢降低趋势。说明主梁应变　与温度是密切相关的。本桥结构形式为连续梁桥，　水平方向没有多余约束，在温度变化作用下，主梁能　够自由地伸缩。因此仅产生应变，而不产生应力。　从测试结果看，加固过程中，温度从１５。Ｃ降到ｏＣ，　混凝土的热膨胀系数为１×１０～，即温度变化１。Ｃ　主梁应变降低ｌＯｉｒｅ，本桥加固过程中温度降低约　１０。Ｃ左右，因此主梁应变将降低ｌＯＯｐ￣ｅ，而实测各　测点应变均不同程度地降低了７０～８０　８，略小于温　度应变约２０ｐ￣ｅ左右。折算应力约为０．６　ＭＰａ。引　２０１６年第４期　和兆建：连续梁桥加固技术施工监控研究　一１５一　起应力变化主要原因是车辆荷载影响等因素。总体　上看，主梁加固施工过程，应力较为稳定，无明显突　变及异常，说明本桥加固施工过程是安全的。　（４）预应力张拉过程中主梁应力监测　张拉过程中，实测最大混凝土压应力为１．２７　ＭＰａ，位于第二跨跨中下缘。在张拉过程中，上缘未　最终锚固后的压力分别为１３１５ｋＮ、１３４５ｋＮ、　１３５７ｋＮ，与张拉控制力１４０６ｋＮ分别相差一５．８％、　一３．６％、一２．０％。满足规范要求。　７监控结论　（１）加固过程，主梁未发现新的病害，原有裂缝　封闭后未开裂，说明本桥加固过程未对主梁产生不　利影响。　（２）加固过程中，主梁线形及应变变化不大，说　明加固施工过程中，主梁结构是安全的。　出现拉应力。实测应力略大于理论计算值。主要由　于大桥经长期运营，其截面刚度与理论计算仍有一　定的差距。总的看来，张拉体外预应力，能够使各跨　中截面下缘有一定的压应力，而对上缘混凝土不会　产生拉应力，说明通过张拉体外预应力，能够增加截　（３）在预应力张拉过程中，实测主梁变形１ｍｍ　左右，主梁最大应力１．５６ＭＰａ，与理论计算值基本接　近。全截面未出现拉应力，通过预应力张拉，在一定　程度上增加了主梁压应力储备，提高了主梁承载能　力。　参考文献　［１］曹蔚枝．预应力混凝土连续梁桥体外预应力加固技术研究　面压应力储备，改善大桥受力状况。　（５）预应力张拉过程中主梁挠度监测　在张拉过程中，各跨挠度均变化不大，张拉过程　实测最大挠度０．８９ｍｍ。主梁挠度变化趋势与理论　值总体一致。从挠度测试数据的绝对值看，主梁挠　度变化范围在１ｍｍ范围内，在预应力加固过程中，　主梁变形较小，其抗弯刚度能满足正常运营要求。　（６）预应力张拉力的监测　［Ｊ］．山西交通科技，２００９（２）：４０—４２．　［２］　谌润水，胡钊芳，帅长斌．公路旧桥加固技术与实例［Ｍ］．北　京：人民交通出版社，２００２．　［３］　叶见曙．结构设计原理ｆＭ］．北京：人民交通出版社，２００５．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｇｉｒｄｅｒ　Ｂｒｉｄｇｅ　ＨＥ　Ｚｈａｏ－ｊｉａｎ　（Ｓｈａｎｘｉ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔａｋｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ａｎ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ，ｖａｒｉａｂｌｅ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｏｆ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｉｔｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ：ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｌｉｎｅ　ｓｈａｐｅ　ａｎｄ　ｓｔｒａｉｎ　ｏｆ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｎｏｔ　ｌａｒｇｅ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｒｅｓｅｒｖｅ　ｏｆ　ｂａｓｅ　ｐｌａｔｅ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ；Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅ；Ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ