舊空心板簡(jiǎn)支梁橋的連續(xù)化改造加固研究

韋建剛+黃蕾+李佩元+吳慶雄

摘要：為提高既有舊空心板簡(jiǎn)支梁橋的承載能力和安全儲(chǔ)備，將先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工方法中的體系轉(zhuǎn)換思想運(yùn)用到舊空心板簡(jiǎn)支梁橋的加固改造上，提出了一種舊橋改造提載加固方案——簡(jiǎn)支連續(xù)化改造，并對(duì)此加固技術(shù)的實(shí)施方法進(jìn)行了介紹；對(duì)簡(jiǎn)支連續(xù)化改造后的荷載效應(yīng)以及連續(xù)化后新、舊混凝土收縮徐變效應(yīng)進(jìn)行了分析計(jì)算。結(jié)果表明：最不利工況下跨中最大彎矩下降了13.8%，邊跨外側(cè)支點(diǎn)最大剪力降低7.6%，中跨撓度最大減小42%；后澆墩頂連續(xù)段混凝土由新、舊混凝土齡期差引起的收縮徐變彎矩為正彎矩，對(duì)跨中截面受力不利，次邊跨跨中彎矩最大增幅為3.9%；墩頂負(fù)彎矩有所下降，邊跨墩頂負(fù)彎矩最大降幅為4.3%，影響均不顯著。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；舊空心板簡(jiǎn)支橋；加固；改造；收縮；徐變

中圖分類號(hào)：U445.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

簡(jiǎn)支梁橋由于其明確的受力性能，簡(jiǎn)單的構(gòu)造形式和快捷的施工方法，能較好地適應(yīng)山區(qū)以及軟弱地基基礎(chǔ)，因而在過去一段時(shí)期內(nèi)得到了廣泛的運(yùn)用。隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加和重載交通的影響，大量簡(jiǎn)支梁橋出現(xiàn)了各種橋梁病害并引起承載能力下降的現(xiàn)狀，嚴(yán)重影響了橋梁的安全性和耐久性[1-7]。如果將舊橋全部拆除，不僅需要花費(fèi)很多人力和物力，而且還會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐慕煌óa(chǎn)生一定的影響?？紤]到舊橋并沒有完全喪失承載力，可以通過對(duì)舊橋進(jìn)行加固來發(fā)揮其作用，因此，對(duì)該類橋梁進(jìn)行提載加固是較好的選擇，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義[8-15]。

舊橋加固的方法很多，如粘貼鋼板、粘貼碳纖維布和施加預(yù)應(yīng)力法等。對(duì)于早期建造的簡(jiǎn)支梁橋，由于構(gòu)造的原因在后期施加預(yù)應(yīng)力相當(dāng)復(fù)雜，且效果也較差。粘貼碳纖維布和鋼板雖然可以在一定程度上提高橋梁承載能力，但是并沒有從根本上提高荷載等級(jí)，大都用于提高橋梁的安全儲(chǔ)備能力[16-17]。

新建連續(xù)梁橋經(jīng)常采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工方法完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，而簡(jiǎn)支梁連續(xù)化改造在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、加拿大、英國(guó)、意大利、瑞士等，已得到應(yīng)用并且仍在不斷發(fā)展中，其改造的橋型多是鋼梁或箱梁[18-22]。本文將這種體系轉(zhuǎn)換的思想用于舊空心板簡(jiǎn)支梁橋的加固改造，對(duì)簡(jiǎn)支梁橋端部進(jìn)行連續(xù)化改造。這樣既可以利用舊橋的原有結(jié)構(gòu)，又可以提高舊橋的承載能力，同時(shí)由于簡(jiǎn)支連續(xù)化后，減少了伸縮縫，提高了行車的舒適性，可以有效減少由于伸縮縫破壞而引起的各類病害[26]。本文以某多跨空心板簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔?，進(jìn)行簡(jiǎn)支梁橋連續(xù)化改造的應(yīng)用研究和理論分析。

1 工程概況及病害狀況

背景工程橋建于1995年，橋梁全長(zhǎng)111.85 m，為6跨鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板橋，每跨標(biāo)準(zhǔn)跨徑為16 m（圖1）。橋面寬度為26.85 m，原設(shè)計(jì)荷載為汽-20級(jí)和掛-100級(jí)。橋面鋪裝采用水泥混凝土，下部結(jié)構(gòu)采用漿砌塊石重力式橋墩與明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。隨著交通量的不斷增長(zhǎng)和超載車輛的日益增加，該橋左幅出現(xiàn)了多處縱向、橫向裂縫，鉸縫位置處和橋面破損較嚴(yán)重，承載能力顯著下降，急需對(duì)該橋左幅進(jìn)行提載加固。

上部結(jié)構(gòu)病害主要集中于空心板底之間的鉸縫位置，板底出現(xiàn)較多平行于鉸縫的縱向裂縫和部分混凝土碎裂。下部結(jié)構(gòu)病害主要是由于墩頂橋面處出現(xiàn)裂縫而引起在墩臺(tái)處大面積的滲水現(xiàn)象。橋面系病害中最主要的是發(fā)生在伸縮縫位置處大量的縱向、橫向裂縫以及伸縮縫變形和橋面積水嚴(yán)重等病害。某跨簡(jiǎn)支梁橋病害如表1所示。依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）[24]評(píng)定，該橋?yàn)?類橋，有中等缺損，建議維修加固。

2 舊橋承載能力評(píng)估驗(yàn)算

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）[25]有關(guān)規(guī)定對(duì)橋梁承載能力折減，橋梁承載力折減系數(shù)見表2。對(duì)該橋進(jìn)行承載能力系數(shù)的確定并進(jìn)行極限承載能力評(píng)估驗(yàn)算。

跨中截面極限承載能力為式中：M為簡(jiǎn)支梁跨中截面所能承受的最大彎矩；γ0為橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；Ra為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為腹板寬度；x為混凝土受壓區(qū)高度；h0為梁的有效高度；b′f為受壓翼緣的有效寬度；h′f為

受壓翼緣厚度；as為鋼筋截面重心至截面受拉邊緣距離。

利用大型通用有限元程序MIDAS計(jì)算得到在公路-Ⅰ級(jí)汽車荷載下，該橋最不利工況荷載作用下跨中截面的最大彎矩M0=987 kN·m。 這說明該橋承載能力已經(jīng)存在不足。3 簡(jiǎn)支連續(xù)化改造

由上述計(jì)算分析可知，該橋的承載能力已經(jīng)無法滿足繁重的交通現(xiàn)狀，因此需要對(duì)整橋進(jìn)行提載加固。除了在主梁下粘貼碳纖維板和砂漿以降低裂縫的影響外，同時(shí)在墩頂進(jìn)行簡(jiǎn)支梁橋連續(xù)化改造，通過對(duì)全橋進(jìn)行體系改變來提高橋梁的安全儲(chǔ)備能力。

首先將空心板的混凝土頂板鑿除，范圍為最不利工況下負(fù)彎矩的覆蓋范圍，并布設(shè)負(fù)彎矩鋼筋，以抵抗因結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換后而產(chǎn)生的負(fù)彎矩。在鑿除混凝土頂板時(shí)要保留原有鋼筋，將其與橋墩處主梁負(fù)彎矩鋼筋焊接，然后澆筑混凝土，將相鄰的主梁連為一體，同時(shí)將梁端1 m范圍內(nèi)空心部分填充混凝土以增大抗剪剛度和縱向的整體剛度（圖2）。

簡(jiǎn)支無縫連續(xù)化改造對(duì)跨中抗彎承載能力改善較明顯，但是對(duì)提高支點(diǎn)附近斜截面抗剪承載力的作用不是很明顯，因此連續(xù)化后需要對(duì)抗剪承載力進(jìn)行復(fù)核，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。

為了計(jì)算方便，空心板應(yīng)按照面積和慣性矩相等的原則等效為T形梁計(jì)算。首先，依據(jù)連續(xù)化后的荷載標(biāo)準(zhǔn)求出支點(diǎn)最不利截面處的剪力值，并復(fù)核截面尺寸，即

式中：Vd為驗(yàn)算截面處由荷載產(chǎn)生的剪力組合值；fcu，k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度；Vd1為按先期簡(jiǎn)支梁狀態(tài)計(jì)算的自重和一期恒載剪力組合值；Vd2為按后期連續(xù)梁狀態(tài)計(jì)算的自重和二期恒載剪力組合值。

若不滿足復(fù)核公式，則應(yīng)對(duì)空心板腹板和頂板進(jìn)行加寬，加寬的尺寸可以由如下公式確定，即

式中：h1為鑿除原橋面鋪裝層后梁的有效高度；h2為計(jì)入后加混凝土結(jié)構(gòu)層后梁的有效高度；Δb為腹板（梁肋）每側(cè)的加寬厚度。

該橋連續(xù)無縫化后經(jīng)過復(fù)核驗(yàn)算，對(duì)支點(diǎn)截面進(jìn)行截面尺寸的加寬處理，截面在墩頂支點(diǎn)最不利截面范圍內(nèi)的腹板加厚了15 cm，頂板、底板加寬了12 cm，漸變長(zhǎng)度取1.8 m，如圖3所示。

在簡(jiǎn)支連續(xù)化改造時(shí)，為了能夠加強(qiáng)后期整體化鋪裝層與連續(xù)化后的主梁共同作用，兩者之間的相互連接效果是實(shí)現(xiàn)整體化受力的重要保障。為了加強(qiáng)相互之間的可靠連接，除對(duì)該橋面進(jìn)行鑿毛處理外，還應(yīng)設(shè)置關(guān)鍵的抗剪連接件。本文改造中抗剪連接件采用槽型鋼筋，直徑為20 mm，槽型鋼筋沿接縫位置處等間距布置，如圖4所示。

4 分析計(jì)算

在簡(jiǎn)支變連續(xù)加固整體計(jì)算中，根據(jù)受力特點(diǎn)和施工步驟可以將結(jié)構(gòu)計(jì)算分成2個(gè)階段：第1階段按簡(jiǎn)支梁橋計(jì)算，此階段參與受力的主要有自重和一期恒載；第2階段主要是連續(xù)化后的連續(xù)梁階段，此階段主要受二期恒載和活載作用。

在簡(jiǎn)支變連續(xù)改造效果結(jié)構(gòu)分析中，利用MIDAS/Civil 2010建立全橋空間模型共3 261個(gè)單元和2 384個(gè)節(jié)點(diǎn)（圖5）。通過建立的有限元模型計(jì)算得出，改造前簡(jiǎn)支梁橋狀態(tài)的一階頻率為5.8 Hz，環(huán)境脈動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的一階頻率為5.37 Hz，兩者基本吻合，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

4.1 彎矩效應(yīng)

在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）選擇對(duì)此橋最不利工況：恒載（1.2）+汽車荷載（1.4）+人群（0.98）+溫度梯度（0.98）。圖6為改造前、后彎矩包絡(luò)曲線。由圖6可以看出，在最不利工況下，改造前、后跨中

圖6 改造前、后彎矩包絡(luò)曲線

Fig.6 Moment Envelope Curves Before and

After Transformation彎矩有明顯的改善，跨中彎矩最大降低13.8%，能夠使全橋整體更好受力，提高了活載承載能力。

4.2 剪力效應(yīng)

舊簡(jiǎn)支空心板梁橋連續(xù)化改造后分析其支點(diǎn)截面處最不利剪力的變化，荷載工況同第4.1節(jié)?？招陌辶簶蚝?jiǎn)支連續(xù)化改造前、后的剪力包絡(luò)曲線見圖7。舊簡(jiǎn)支空心板梁橋連續(xù)化改造后，增大了橋梁縱向、橫向剛度，改善了橋梁的整體受力性能。由圖7可以看出：連續(xù)化改造后邊跨外側(cè)的支點(diǎn)最大剪力降低7.6%；中跨剪力荷載組合值有所增加，增加幅度為5.6%～8.4%。

4.3 撓度變化

簡(jiǎn)支空心板梁橋連續(xù)化改造前、后正常使用狀態(tài)下主梁撓度對(duì)比見圖8，撓度下降主要是由于體系轉(zhuǎn)變引起的。從圖8可以看出：由于連續(xù)化縱向、橫向剛度增加，正常使用狀態(tài)時(shí)的撓度均有所降低，中跨改善程度大于邊跨。邊跨撓度降低比例為24%，而中跨撓度降低比例最大為42%。

4.4 連續(xù)化后新、舊混凝土收縮徐變的受力影響

舊簡(jiǎn)支梁橋在連續(xù)化改造前為簡(jiǎn)支受力狀態(tài)，在墩頂連續(xù)段施加荷載前為靜定結(jié)構(gòu)，收縮徐變等荷載作用不會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力。簡(jiǎn)支梁橋連續(xù)化改造時(shí)，通常舊簡(jiǎn)支梁橋已運(yùn)營(yíng)多年，主梁的收縮徐變已基本完成，因此在連續(xù)化改造后可以忽略主梁的收縮徐變效應(yīng)，只需分析墩頂連續(xù)段新澆混凝土與主梁舊混凝土之間因新、舊混凝土齡期差引起的收縮徐變效應(yīng)。

收縮徐變問題較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)采用不同的收縮徐變模型會(huì)產(chǎn)生一定的差異，并且不同的參數(shù)取值也會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。本文計(jì)算分析分別采用美國(guó)規(guī)范ACI的計(jì)算模型、歐洲規(guī)范CEB-FIP的計(jì)算模型和中國(guó)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)規(guī)范）的計(jì)算模型。

圖9（a）為后澆墩頂連續(xù)段混凝土在收縮徐變作用下產(chǎn)生的彎矩，對(duì)比了3種計(jì)算模型下新澆混凝土60 d齡期的收縮徐變大小。圖9（b）為3種計(jì)算模型下3年齡期新澆混凝土收縮徐變引起全橋受力的彎矩大小。由圖9可知，中國(guó)規(guī)范

計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果比其他2種計(jì)算模型的要稍大。在3種收縮徐變計(jì)算模型下，全橋3年后收縮徐變引起的全橋彎矩在邊跨墩頂達(dá)到最大值，中國(guó)規(guī)范計(jì)算模型預(yù)測(cè)值比ACI計(jì)算模型預(yù)測(cè)值增加11%，比CEB-FIP計(jì)算模型預(yù)測(cè)值增加8%。

后連續(xù)端濕接縫新、舊混凝土在不同齡期時(shí)的收縮徐變引起的彎矩如圖10所示。收縮徐變模型采用中國(guó)規(guī)范中規(guī)定的計(jì)算模型。圖11為考慮和不考慮收縮徐變影響全橋承載力受力分析的對(duì)比。由圖10，11可知：收縮徐變是由后澆墩頂連續(xù)段混凝土引起的，因此每跨墩頂位置的受力均比相鄰的跨中彎矩要大，邊跨的墩頂彎矩最大；新、舊混凝土齡期差引起的收縮徐變正彎矩對(duì)簡(jiǎn)支連續(xù)化改造后的跨中截面受力不利。次邊跨考慮墩頂連續(xù)段混凝土齡期差時(shí)，跨中彎矩最大增幅為3.9%；同時(shí)一定程度上緩和了墩頂負(fù)彎矩區(qū)的負(fù)彎矩，邊跨墩頂負(fù)彎矩區(qū)考慮收縮徐變作用時(shí)，負(fù)彎矩最大降幅為4.3%。

5 結(jié) 語

（1）通過有限元分析計(jì)算表明，簡(jiǎn)支舊空心板梁橋通過連續(xù)化改造后，無論是恒載效應(yīng)還是活載效應(yīng)，改造后彎矩和撓度均比改造前有所降低。在最不利承載能力工況下跨中最大彎矩下降了13.8%；正常運(yùn)營(yíng)狀況下，邊跨外側(cè)的支點(diǎn)最大剪力降低7.6%；中跨剪力荷載組合值有所增加，增加幅度為5.6%～8.4%；連續(xù)化改造后全橋撓度均有所下降，邊跨撓度最大減小24%，中跨撓度最大減小42%。

（2）后澆墩頂連續(xù)段混凝土在180 d齡期時(shí)完成了10年收縮徐變量的50%，3年完成了90%，此后幾年的收縮徐變和變化幅度均很?。恍?、舊混凝土齡期差引起的收縮徐變彎矩為正彎矩。簡(jiǎn)支連續(xù)化改造后對(duì)跨中截面受力不利，次邊跨跨中彎矩最大增幅為3.9%；墩頂負(fù)彎矩有所下降，邊跨墩頂負(fù)彎矩最大降幅為4.3%，影響均不顯著。

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