喇嘛灣黃河大橋加固技術(shù)分析

王善巍，武 倩，涂裕民，潘永杰

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.貴州中路鑫建設(shè)工程有限公司，貴州 安順 560800）

1 引言

橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)的老化、車輛荷載的增加等因素，越來(lái)越多橋梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害影響行車安全，急需進(jìn)行處置[1-5]。喇嘛灣黃河大橋運(yùn)營(yíng)36年來(lái)，內(nèi)蒙古自治區(qū)各級(jí)公路養(yǎng)護(hù)管理機(jī)構(gòu)投入了大量人力、物力、財(cái)力，定期巡查、檢查、養(yǎng)護(hù)，2005 年進(jìn)行了橋梁鋪裝和橋梁裂縫處置。在2020 年加固改造工程中，一改往日“加法”策略，大膽實(shí)施“減法”，減少橋梁恒載。通過(guò)加固全過(guò)程及運(yùn)營(yíng)健康監(jiān)測(cè)，橋梁抵抗較大荷載風(fēng)險(xiǎn)能力得到提升，橋梁整體剛度得到提升，使大橋處于健康安全的運(yùn)行狀態(tài)，為行業(yè)同類橋梁加固提供了新的處置思路與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 橋梁概況

喇嘛灣黃河大橋位于S103 線K90+591 處，建成于1985年，全長(zhǎng)389m，上部結(jié)構(gòu)為6孔一聯(lián)（64.5+4×65+64.5）m預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁，上部自重（包括橋面系）為21.23t/m，下部為重力式混凝土橋墩、“U”型漿砌片石橋臺(tái)。橋面鋪裝為9cm厚瀝青混凝土+9cm厚水泥混凝土。2007 年，橋梁箱室頂板底面掛預(yù)應(yīng)力鋼筋并錨噴4cm厚高強(qiáng)抗拉復(fù)合砂漿，箱梁底板底面粘貼橫向碳纖維，橋面鋪裝改造為8cm厚聚丙烯晴纖維防水鋼筋混凝土+4cm厚瀝青混凝土，欄桿扶手更換為防撞墻。

3 橋梁病害檢查情況

3.1 上部結(jié)構(gòu)

主梁腹板在支點(diǎn)附近存在多條斜向裂縫，與底板夾角約呈45°，長(zhǎng)度多為2m～3m，部分裂縫延伸至翼緣板根部，裂縫寬度多為0.05mm～0.2mm，最寬達(dá)到0.45mm。主梁底板有縱向裂縫，部分裂縫斷續(xù)通長(zhǎng)，裂縫寬度多為0.1mm～0.15mm；底板粘貼碳纖維布區(qū)域存在滲水現(xiàn)象；翼緣板、腹板普遍滲水。箱梁外側(cè)腹板斜向裂縫分布情況如圖1所示。

圖1 箱梁外側(cè)腹板斜向裂縫分布圖

3.2 下部結(jié)構(gòu)

橋跨的下部結(jié)構(gòu)主要病害為0#橋臺(tái)背墻在梁端對(duì)應(yīng)位置存在通長(zhǎng)水平裂縫，病害情況如圖2所示。

圖2 0號(hào)橋臺(tái)背墻開裂

3.3 橋面系

橋面鋪裝車轍、擁包現(xiàn)象較為普遍；2#伸縮縫鋼板條局部脫落，錨固區(qū)混凝土開裂；全橋下游側(cè)泄水孔堵塞。橋面鋪裝層經(jīng)過(guò)歷次加固和維修改造，鋪裝層厚度與原設(shè)計(jì)差異較大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣測(cè)量，橋面鋪裝層由9cm厚的聚丙烯晴纖維混凝土+6cm～9cm厚的瀝青混凝土構(gòu)成，橋面鋪裝鉆芯取樣情況如圖3所示。

圖3 橋面鋪裝鉆芯取樣

4 病害原因分析

針對(duì)橋梁當(dāng)前存在的腹板斜向開裂、荷載試驗(yàn)結(jié)論中抗剪承載能力不足的問(wèn)題，采用《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》（JTJ 023—85）[6]進(jìn)行驗(yàn)算。本次計(jì)算采用有限元專用軟件Midas Civil 建立全橋整體結(jié)構(gòu)有限元模型，橋梁結(jié)構(gòu)離散圖如圖4所示。

圖4 橋梁整體結(jié)構(gòu)離散圖

箱梁懸臂板計(jì)算可取垂直板跨方向帶型荷載1 m長(zhǎng)的一段。本次計(jì)算采用有限元專用軟件Midas Civil建立結(jié)構(gòu)橫向框架有限元模型，結(jié)構(gòu)離散圖如圖5 所示。

圖5 橫向框架結(jié)構(gòu)離散圖

4.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

橋梁構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算應(yīng)滿足γoS≤R，S為作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)值，R 為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值，γo為橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，本橋取γO=1.1[1]。

4.1.1 抗彎承載能力驗(yàn)算

表1 為主要控制截面抗彎承載能力及最大彎矩驗(yàn)算結(jié)果。

表1 橋梁現(xiàn)狀抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果表

驗(yàn)算結(jié)果表明，橋梁現(xiàn)狀下主梁主要控制截面處抗彎承載能力均滿足規(guī)范要求，最小安全系數(shù)為1.04，出現(xiàn)在邊跨最大正彎矩截面處。

4.1.2 抗剪承載能力驗(yàn)算

表2 為主要控制截面抗剪承載能力及最大剪力驗(yàn)算結(jié)果。

表2 橋梁現(xiàn)狀抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果表

驗(yàn)算結(jié)果表明，橋梁現(xiàn)狀下主梁各墩臺(tái)根部截面抗剪承載力均不滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)在0.91～0.99之間。

4.2 使用階段構(gòu)件法向應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)《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》（JTJ 023—85）規(guī)定，在荷載組合Ⅰ、荷載組合Ⅱ作用下，法向壓應(yīng)力分別不應(yīng)超過(guò)17.5MPa、21.0MPa；法向拉應(yīng)力分別不應(yīng)超過(guò)2.4MPa、2.7MPa。經(jīng)驗(yàn)算，在荷載作用下，主梁上、下緣法向壓應(yīng)力及拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4.3 使用階段構(gòu)件主應(yīng)力驗(yàn)算

4.3.1 使用階段構(gòu)件主拉應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)《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》（JTJ 023—85）規(guī)定，在荷載組合Ⅰ、荷載組合Ⅱ作用下，主拉應(yīng)力分別不應(yīng)超過(guò)2.4MPa、2.7MPa。經(jīng)驗(yàn)算，荷載組合Ⅰ下斜截面主拉應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求，最大主拉應(yīng)力為2.2MPa，最大值出現(xiàn)在1#、5#墩附近位置；荷載組合Ⅱ下最大主拉應(yīng)力為2.7MPa，達(dá)到規(guī)范限值，最大值出現(xiàn)在梁端附近位置。

4.3.2 使用階段構(gòu)件主壓應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)《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》（JTJ 023—85）規(guī)定，在荷載組合Ⅰ、荷載組合Ⅱ作用下，主壓應(yīng)力分別不應(yīng)超過(guò)21.0MPa、22.75MPa。經(jīng)驗(yàn)算，使用階段斜截面主壓應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求，荷載組合Ⅰ下最大主壓應(yīng)力為-9.9MPa，荷載組合Ⅱ下最大主壓應(yīng)力為-12.6MPa。

4.4 橋面板驗(yàn)算

對(duì)橋面板橫橋向跨中截面進(jìn)行抗彎承載能力和裂縫寬度驗(yàn)算。對(duì)橋面板橫橋向跨中抗彎承載能力及裂縫寬度（Ⅰ類環(huán)境）進(jìn)行驗(yàn)算。表3 為行車道板抗彎承載力及裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果。

表3 行車道板抗彎承載力及裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果

由表3可知，橋梁原設(shè)計(jì)狀態(tài)下，在荷載組合II，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021—89）和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[7]規(guī)范兩種要求計(jì)入溫度力，橋面板抗彎承載能力及驗(yàn)算裂縫寬度均滿足要求。

橋梁目前狀況計(jì)算時(shí)，將維修加固時(shí)更換的9cm水泥混凝土層全部計(jì)入橋面板結(jié)構(gòu)層中，鑒于頂板下緣錨噴的4cm厚砂漿層開裂較為嚴(yán)重，且無(wú)豎向種植鋼筋與橋面板有效連接，將其計(jì)入恒載。在現(xiàn)狀下，荷載組合II，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）要求計(jì)入溫度力，橋面板跨中抗彎承載能力略有不足。

5 橋梁加固設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算，在現(xiàn)狀情況下，結(jié)構(gòu)因恒載增加較多，抗剪承載能力不足或安全儲(chǔ)備偏低、橋面板承載能力不足，故需對(duì)橋梁腹板及橋面板進(jìn)行處置。

5.1 腹板局部混凝土加厚

全橋箱梁腹板內(nèi)側(cè)支點(diǎn)附近9m 范圍內(nèi)加厚20cm混凝土（圖6、圖7），改善主橋主拉應(yīng)力，提高主梁剛度。通過(guò)在新老混凝土結(jié)合面鑿毛、種植鋼筋與原腹板緊密連接，并采用C50自流平混凝土澆筑。

圖6 梁腹板加厚示意圖（cm）

圖7 箱梁腹板加厚斷面示意圖（cm）

5.2 橋面鋪裝處理

鑿除原橋的橋面瀝青鋪裝，腹板加厚后，重新做橋面防水層、鋪筑5cm瀝青混凝土鋪裝層。

5.3 加固后計(jì)算

5.3.1 結(jié)構(gòu)抗彎承載能力計(jì)算

表4為加固前后抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況。

表4 加固前后結(jié)構(gòu)抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表4可知，加固前后橋梁抗彎承載能力均滿足規(guī)范要求。加固后，邊跨最大正彎矩截面抗彎承載能力安全系數(shù)由1.04提高至1.13，截面抗彎安全儲(chǔ)備有所增加。

5.3.2 抗剪承載能力計(jì)算

表5為加固前后抗剪承載能力計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況。

表5 加固前后結(jié)構(gòu)抗剪承載能力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表5可知，加固后橋梁各關(guān)鍵截面抗剪工作性能均得到較明顯的改善，抗剪承載力安全系數(shù)由現(xiàn)狀下的0.91～0.96提高至1.14～1.38。

5.3.3 主拉應(yīng)力計(jì)算

表6為加固前后主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況。

表6 加固前后主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表6可知，加固后橋梁各關(guān)鍵截面主拉應(yīng)力均得到改善，在荷載組合Ⅰ、荷載組合Ⅱ下，梁端附近主拉應(yīng)力由橋梁現(xiàn)狀下的2.2MPa、2.7MPa（規(guī)范限值分別為2.4MPa、2.7MPa）降低至1.1MPa、2.4MPa。

5.3.4 基底承載力計(jì)算

根據(jù)前述計(jì)算可知，加固前后，橋梁橋墩擴(kuò)大基礎(chǔ)的最小安全系數(shù)均為1.47，滿足規(guī)范要求；橋梁橋臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)的最小安全系數(shù)均為1.29，滿足規(guī)范要求。

6 加固效果

6.1 剛度

通過(guò)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定，喇嘛灣黃河大橋加固前剛度為5.802×108 kN/m2，加固后橋梁剛度為8.016×108 kN/m2，加固后喇嘛灣黃河大橋剛度增大了38.2%，表明橋梁承載力得到提高，橋梁壽命得到保障。剛度變化趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 剛度變化趨勢(shì)圖

6.2 殘余變形

通過(guò)對(duì)喇嘛灣黃河大橋加固前后共計(jì)12萬(wàn)組荷載瞬時(shí)殘余變形數(shù)據(jù)分析，瞬時(shí)殘余變形關(guān)系圖如圖9所示，橋梁加固后較加固前，對(duì)于抵抗較大的荷載有了明顯的提升，表明橋梁增強(qiáng)了安全儲(chǔ)備，提升了抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

圖9 瞬時(shí)殘余變形關(guān)系圖

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)喇嘛灣黃河大橋橋梁加固實(shí)例，在總結(jié)分析橋梁病害的基礎(chǔ)上，針對(duì)性提出采用腹板局部混凝土加厚、橋面鋪裝等加固措施，應(yīng)用效果表明，所采取的加固措施不僅能提高橋梁整體承載力和安全系數(shù)，還可以控制增加橋梁恒載，從根本上提高橋梁運(yùn)行安全。根據(jù)工程實(shí)踐，建議在大橋加固施工前后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)橋梁的加固效果，并為橋梁日后的養(yǎng)護(hù)工作提供依據(jù)。橋梁運(yùn)營(yíng)后，應(yīng)加強(qiáng)橋梁的檢查工作，適當(dāng)加大檢查頻率，建議連續(xù)3年對(duì)橋梁進(jìn)行跟蹤觀測(cè)（包括結(jié)構(gòu)性病害發(fā)展、主梁撓度變化、橋面板梯度溫度測(cè)試及箱梁內(nèi)外溫度變化等情況）。