基于有效预应力检测的桥梁安全性评价

  潘欣欣1 ；孙海军2 


摘要：混凝土结构具有大约150年的历史，为人类文明的发展做出了巨大贡献，随着社会经济的发展，人们对结构的使用性能提出了更高的要求，普通混凝土结构已不能满足人们的需要，各种特殊结构应运而生，预应力混凝土连续梁桥就是其中一种。
关键词：预应力；桥梁；评价
一、预应力混凝土连续梁桥存在的问题
由于预应力混凝土连续梁桥是一种超静定结构，它具有很好的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度，跨越能力强、整体刚度大、抗震性能好、行车平顺舒适、施工简便、养护费用低等优点。因此，近40年以来，预应力混凝土连续梁桥在世界各国的桥梁建筑中得到了快速发展，跨径也越来越大，成为在海湾、深谷上建造大跨度桥梁广泛采用的结构形式之一。
国内外桥梁建设在过去几十年中取得了巨大的进步和卓越的成就，预应力混凝土桥梁发展也很快，无论在桥型、跨度以及施工方法与技术方面都有突破性发展。但是，由于桥梁在建设和使用过程中，必然会受到环境、有害化学物质的侵蚀，并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为等外来因素作用，同时桥梁所采用的材料性能也会不断退化，从而导致结构各部分出现不同程度的损伤。这些损伤的累积和发展不但会影响桥梁的正常运营，而且会危及结构的使用安全。越来越多的桥梁进入老龄化阶段，需要对桥梁结构现有使用性能进行评价，进而加固维修。
然而，随着预应力混凝土连续梁桥在世界各地的广泛应用，有关这种桥型的病害也越来越多。一般的预应力混凝土连续梁桥国内设计院按全预应力混凝土构件设计，即在正常施工阶段和使用阶段不出现拉应力为主要依据，设计要求严格。但由于连续梁桥通常跨径较大，导致预应力体系较为复杂、张拉吨位力大和结构受力复杂等问题。近些年来，部分连续梁桥在施工和运营过程中，桥梁结构出现了一些病害，主要表现为：
l）主梁下挠，尤其是跨中挠度过大。广东南海某大桥运营6年后，跨中下挠22.2cm，为主跨径的1/540，大于规范允许的1/600[ 中华人民共和国交通部.公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)网.人民教育出版社，2004
2中华人民共和国交通部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)[M].人民交通出版社，2004
3中华人民共和国交通部.预应力混凝土用钢绞线(GB5224-2003).人民交通版社.2003],2,3。连续梁桥后期的持续挠度过大，使得主梁跨中下凹，破坏桥面铺装层，影响桥梁的使用寿命和行车舒适性，甚至危及桥梁结构的安全。
2）箱梁裂缝。如顶板开裂、底板纵向开裂、箱腹板出现斜裂缝等，并且裂缝主要表现为纵向裂缝、弯曲裂缝、弯曲剪应力裂缝和主拉应力裂缝。伊犁河大桥为刚构连续组合梁桥，在运营期间箱梁出现了纵向裂缝，有的纵缝较长甚至连续贯通。
3）梁体断裂。由于预应力筋失效或裂缝的进一步发展，梁体会发生结构性破坏。1977年竣工通车的田庄台辽河大桥，全长为878.93m，可谓是当时国内比较罕见的大跨径预应力混凝土公路桥。但是，2004年6月10日早7时许，在北起第14孔和第15孔之间，悬臂梁端突然断裂，桥板脱落。
综合以上事例，作者认为对桥梁进行有效预应力的检测是有必要的。
二、有效预应力检测
2.1检测方法
针对预留检测槽口处，局部破损波纹管及水泥砂浆处暴露出的钢绞线，应用 “预应力钢索张力测试仪”，基于横张位移增量法检测原理进行钢绞线预张力的测试。横张位移增量法，是依据预应力钢绞线横向荷载及变形测试来检测有效预应力的技术。即：横张位移增量法就是对两端张拉钢绞线的跨中横向施加作用力，测试其横向变位值，从而推算钢束中有效预张力。检测中对目标测试钢束进行横向张拉试验，通过分级测试横向张力及对应横向位移作为基础采集数据，结合实用经验公式得到桥梁关键预应力束有效预应力实测值。
主要仪器设备有：预应力钢索张力测试仪，数显仪等。
2.2关键工序
在预应力测试过程中的关键工序如下：
（l）检测槽口定位
首先根据实际情况量测检测槽口的位置及尺寸参数。
（2）测试前准备工作
在检测槽口定位后，进行测试前的准备工作，主要包括切割检测槽口处普通钢筋、切割并剥离波纹管及支撑起目标测试钢束并实现稳固夹持等三项内容。
（3）预应力钢束测试
采用横张位移增量法检测技术，使用预应力钢索张力测试仪，对关键钢束的有效预应力进行测试。
三、依托工程结构安全性分析
3.1主梁混凝土应力分析
1、主梁上下缘混凝土应力分布
在设计状态下计入恒载、预应力和收缩徐变荷载，并考虑施工阶段效应，计算出成桥1月后主梁上下缘混凝土应力分布情况。按已抽检的钢束预应力预测值，预测实际情况下主梁上下缘混凝土应力值。在实际状态下计入恒载、预应力和收缩徐变荷载，并考虑施工阶段效应，计算出成桥1月后主梁上下缘混凝土应力分布情况。
2.控制截面主梁上下缘混凝土应力值
经计算分析可知，连续刚构桥控制截面为边跨0.3L、中跨1/4L、支点等截面。全桥共有边跨0.3L截面2个，跨中截面4个，1/4L截面8个，边支点截面2个，中支点截面5个。成桥1月后，各个控制截面主梁上下缘混凝土应力值。
（l）荷载组合1作用下，成桥1月后主梁上下缘混凝土应力均为压应力。主梁控制截面上缘混凝土应力边跨0.3L、中跨跨中、1/4L及支点处预测值均小于设计值；下缘混凝土应力边跨0.3L和中跨跨中、1/4L处预测值均小于设计值，支点处预测值部分大于设计值，部分小于设计值。
（2）荷载组合2作用下，成桥1月后主梁上下缘混凝土应力除边跨0.3L和两端支点处为拉应力外，其余各点均为压应力。主梁控制截面混凝土应力边跨0.3L、中跨跨中、1/4L及支点处预测值均小于设计值。
3.钢束预应力效应产生的混凝土应力
根据上述钢束有效预应力实测值以及对其他钢束索值变化规律预测的验证，计算混凝土应力值（计入恒载、预应力和收缩徐变荷载，考虑施工阶段效应）。
3.2有效预应力衰减
由于全桥钢束预应力分布模式以及有效预应力随时间逐渐变化的规律基本一致，加上受篇幅限制在此不能一一列举，只是分析了其中具有代表性意义的钢束有效预应力随时间变化的趋势。
由上述分析可知：
（l）随着运营时间的增长，钢束有效预应力预测值逐渐减小，而且变化速度是先快后慢，等桥梁结构运营50年以后，预应力损失程度逐渐趋于稳定。
（2）钢束有效预应力预测值均小于 1150MPa，严重小于锚下张拉控制应力，预应力的严重损失会不会影响结构的安全性，还需要进一步的验算分析。
四、主要影响因素分析
1.预应力损失
在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 JTGD62-2004中，通过挠度长期增长系数来实现荷载长期作用效应对构件挠度的影响，即通过长期增长系数，Ms乘以荷载短期效应组组合算的挠度值来得到考虑荷载长期作用效应的挠度值；同样，用长期增长系数。乘以预加力引起的反拱值来得到考虑长期效应的预加力反拱值。
2.汽车反复作用荷载以及超载
按照一定承载能力设计的桥梁结构，在长期汽车荷载反复作用期间，发生荷载超过设计值的情况可能会有多次，但是，实际工程中完全因为超载而引起结构破坏的事故并不是太多。结构在长期反复荷载作用下，在其内力低于承载能力的多次作用情况下发生破坏的现象，称之为结构疲劳。荷载对结构的重复作用次数在使用期限内累计可达数百万次，可能产生突然的脆性破坏，有时这种危险性更大。关于混凝土材料和结构的疲劳问题，国内外有不少试验研究成果，其中反复作用荷载次数对结构刚度的影响，导致对结构挠度影响的研究以试验回归公式居多。
3.混凝土收缩徐变
混凝土收缩徐变影响预应力损失，受压区混凝土徐变以及受压区与受拉区混凝土收缩不一致导致构件曲率增大等等，这些都会影响桥梁结构挠度。总之，影响结构安全性的因素有很多种，还包括温度荷载作用，系统升、降温以及升温梯度和降温梯度，支座不均匀沉降等等。
参考文献
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