既有橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)及受力驗(yàn)算分析

姚征

（涉縣交通運(yùn)輸局公路管理站，河北 涉縣 056400）

0 引言

由于橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在野外，經(jīng)受雨水和河流的侵蝕、氣溫變化的影響及車(chē)輛的反復(fù)碾壓，在上述各種因素的綜合影響下，橋梁結(jié)構(gòu)自身出現(xiàn)不同程度的受損，導(dǎo)致橋梁的使用壽命縮短，因此，有必要采取措施對(duì)其進(jìn)行加固處理[1-2]。本文將結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的闡述分析，并采用Midas Civil 2020 有限元分析軟件對(duì)其加固后的受力狀況進(jìn)行模擬分析。

1 工程概況

某橋2002 年3 月建成通車(chē)，目前已運(yùn)營(yíng)19 年。橋梁全長(zhǎng)122.2m，上部結(jié)構(gòu)采用16.0m 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，結(jié)構(gòu)體系為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支、橋面連續(xù)。橋跨布置為7×16.0m，每跨12 片空心板梁，空心板梁梁高0.75m。全橋橋面寬度為15.0m，橋面橫向布置為：0.5m（防撞墻）+14.0m（行車(chē)道）+0.5m（防撞墻）。下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)為重力式U 形橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)；橋墩采用三柱式墩，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，橋墩立柱直徑1.2m。橋面鋪裝為10cm 瀝青混凝土鋪裝+8cmC40 整體化現(xiàn)澆層，支座形式為板式橡膠支座，伸縮縫為型鋼伸縮縫。設(shè)計(jì)行車(chē)速度為80km/h；橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路汽-20，掛-100。

2 橋梁病害狀況及評(píng)定

全橋技術(shù)狀況等級(jí)為四類(lèi)，并且該橋的上部主要承重構(gòu)件被評(píng)為3 類(lèi)構(gòu)件，支座被評(píng)為4 類(lèi)構(gòu)件；下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)被評(píng)為3 類(lèi)構(gòu)件；橋面系橋面鋪裝、伸縮裝置、排水系統(tǒng)被評(píng)為3類(lèi)構(gòu)件。同時(shí)，檢測(cè)報(bào)告還指出該橋上部結(jié)構(gòu)6-7#板梁、6-8#板梁梁底出現(xiàn)橫向裂縫，且鉸縫受損，鉸縫對(duì)應(yīng)位置橋面鋪裝層位置出現(xiàn)縱向裂縫，上述兩片板梁已出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象。根據(jù)橋梁目前運(yùn)營(yíng)情況，該橋已封閉第二聯(lián)半幅交通，該橋長(zhǎng)期處于偏載作用下，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。

3 主要病害成因

3.1 板底橫向裂縫，單板受力

橋梁6-7#,6-8#兩片梁存在大量橫向裂縫，且鉸縫被破壞，逐漸發(fā)展為單板受力，經(jīng)分析，引起板梁產(chǎn)生橫向裂縫、單板受力主要原因可能是：隨著交通量日益增長(zhǎng)，重車(chē)數(shù)量增多，在重車(chē)荷載長(zhǎng)期反復(fù)沖擊作用下，使得鉸縫混凝土逐步開(kāi)裂松散，橫向傳力功能減弱甚至部分喪失，鉸縫開(kāi)裂后造成鋪裝反射裂縫，雨水經(jīng)橋面鋪裝下滲后又進(jìn)一步加速了鉸縫的破壞，造成惡性循環(huán)，最終形成單板受力。

3.2 橋面鋪裝裂縫

經(jīng)分析，橋面鋪裝產(chǎn)生裂縫的主要原因可能包括以下方面。

（1）縱向裂縫

橋面鋪裝縱向裂縫、車(chē)轍等病害均位于車(chē)輪痕跡處，且與橋面板鉸縫位置上下對(duì)應(yīng)，經(jīng)分析，應(yīng)為橋面板鉸縫破壞，形成單板受力后，在橋面鋪裝層形成的病害反射裂縫。

橋梁支座存在大量脫空現(xiàn)象，導(dǎo)致橋面鋪裝和鉸縫受力增大，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，極易引起橋面鋪裝開(kāi)裂。

（2）橫向裂縫

橫向裂縫主要分布在各墩臺(tái)中心處，經(jīng)分析，應(yīng)為受設(shè)計(jì)年代設(shè)計(jì)理念限制，在橋面連續(xù)處縱向鋼筋配置不足，造成橋面鋪裝層在重車(chē)荷載的作用下開(kāi)裂。

3.3 橋臺(tái)臺(tái)帽豎向裂縫

橋梁0#,7#橋臺(tái)臺(tái)帽存在豎向裂縫，位于支座位置處，且為上寬下窄，經(jīng)分析，臺(tái)帽產(chǎn)生豎向裂縫的原因可能是：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況及施工設(shè)計(jì)圖紙，橋臺(tái)臺(tái)帽后澆且鋼筋配置較弱，收縮引起的開(kāi)裂。該橋通行重車(chē)較多，在重車(chē)沖擊作用下，導(dǎo)致橋臺(tái)臺(tái)帽裂縫發(fā)展。

4 主要維修加固設(shè)計(jì)

4.1 混凝土裂縫處治

全橋主梁存在的裂縫應(yīng)進(jìn)行處治，為抑制其發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)的耐久性，處治方法如下：

（1）對(duì)于寬度＜0.15mm 的裂縫，采用裂縫封閉膠直接封閉修補(bǔ)。

（2）對(duì)于寬度≥0.15mm 的裂縫，采用壓力灌注裂縫灌注膠進(jìn)行修補(bǔ)。

（3）加強(qiáng)裂縫的后期觀測(cè)。若裂縫繼續(xù)發(fā)展，則應(yīng)采取其他相應(yīng)措施進(jìn)行加固。

4.2 上部結(jié)構(gòu)拆除及更換

（1）拆除橋面附屬設(shè)施；拆除全橋現(xiàn)有橋面板與橋面鋪裝等構(gòu)造。

（2）新更換的上部承重結(jié)構(gòu)：原設(shè)計(jì)采用0.75m 梁高，梁長(zhǎng)為16m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁。本次新更換的橋面板采用10 片16m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土矮T形梁，設(shè)計(jì)梁高為0.9m，梁底寬為0.35m，邊梁頂板寬為1.25m，中梁頂板寬度為1.20m，濕接縫寬度為32.2cm。

（3）橋墩蓋梁：由于上部承重結(jié)構(gòu)恒載增加，橋梁荷載提升至公路-I 級(jí)，蓋梁懸臂端抗拉承載能力不足。根據(jù)原橋施工設(shè)計(jì)圖紙，在蓋梁墊梁間粘貼250×8mm鋼板，加固鋼板采用Q355B鋼板。

4.3 4#墩蓋梁右側(cè)擋塊開(kāi)裂

對(duì)于4#墩蓋梁右側(cè)擋塊與主梁邊板抵死并開(kāi)裂的病害，采用拆除并重新澆筑橋梁蓋梁擋塊的方法進(jìn)行處治。

新澆筑的蓋梁擋塊厚度保持原設(shè)計(jì)不變，同時(shí)增強(qiáng)4#墩蓋梁右側(cè)擋塊的鋼筋配筋，以增強(qiáng)擋塊的防落梁功能。

4.4 橋臺(tái)臺(tái)帽粘貼鋼板

對(duì)于0#橋臺(tái)與7#橋臺(tái)臺(tái)帽開(kāi)裂較為嚴(yán)重的部位，首先封閉裂縫，修補(bǔ)破損，然后采用粘貼鋼板的方法進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，限制裂縫發(fā)展。鋼板均采用Q355B，寬250mm×厚8mm型號(hào)跨裂縫粘貼。

4.5 橋梁改造前后恒載變化

橋梁改造后，對(duì)單跨上部結(jié)構(gòu)恒載變化進(jìn)行分析，恒載減少9.86%，即減載41.12t恒載，如表1所示。

表1 加固前后恒載變化 單位：kN

5 加固后結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

5.1 更換矮T梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用有限元軟件Midas Civil2020 對(duì)橋梁換板后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，更換后的橋面板與橋墩呈30°斜交，橫向共10 片矮T 梁，驗(yàn)算時(shí)采用梁格法建立模型。橋面鋪裝、欄桿自重采用荷載形式施加，梁格模型離散為248個(gè)節(jié)點(diǎn)和377個(gè)單元，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 橋梁換板后梁格計(jì)算模型

對(duì)更換矮T梁后的橋梁進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，橋梁更換矮T梁后橋面板在承載能力極限狀態(tài)下，空心板梁抗彎、抗剪承載能力滿足規(guī)范要求；在正常使用極限狀態(tài)下，空心板拉、壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。圖2、圖3 分別為加固后橋梁結(jié)構(gòu)受力的彎矩包絡(luò)及抗力圖、剪力包絡(luò)及抗力圖。

圖3 剪力包絡(luò)及抗力圖

5.2 加固后蓋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

原設(shè)計(jì)蓋梁墩頂處縱向鋼筋配筋不足，不滿足《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 3362—2018）對(duì)蓋梁懸臂端上緣抗拉承載力的要求[3]。本橋加固設(shè)計(jì)更換橋面板，橋面鋪裝構(gòu)造為10cm 防水混凝土+8cm 瀝青混凝土，荷載技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提高至公路I級(jí)。

為保證蓋梁懸臂端上緣抗拉承載能力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，本次設(shè)計(jì)對(duì)蓋梁懸臂端頂部進(jìn)行粘貼鋼板加固，驗(yàn)算結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2 蓋梁承載能力驗(yàn)算結(jié)果

5.3 地基承載能力驗(yàn)算

橋墩基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底承受軸心荷載，根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019），采取下式對(duì)基底承載能力進(jìn)行驗(yàn)算[4]：

橋墩頂支反力合計(jì)14 547.8kN，下部結(jié)構(gòu)恒載3 884.3kN，基底豎向作用力合計(jì)18 432.1kN，基底面積為70.4m2，計(jì)算得到基底土層平均壓應(yīng)力為261.8kPa。參考地勘資料，橋梁基底土層為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，地基土承載力特征值fa0為300kPa，修正后的地基土承載力特征值fa為378.3kPa，安全系數(shù)為1.44。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上，以某預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋加固項(xiàng)目為例，綜合考慮了“結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)造價(jià)、施工便捷、加固后結(jié)構(gòu)可靠性及耐久性”等因素，在盡量不增加原橋恒載的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)16m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁進(jìn)行更換，對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性病害、板底脫空等病害及問(wèn)題進(jìn)行處治，提升了橋梁技術(shù)狀況。最后采用Midas Civil2020 分析了該橋加固后的結(jié)構(gòu)受力情況。受力模擬結(jié)果表明，本次橋梁的加固效果較為顯著。