基于橋梁承載能力評定的橋梁加固

韓宏光, 谷丹丹

[1.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司遼寧分公司,遼寧 沈陽 110000;2.沈陽工學(xué)院,遼寧 沈撫新區(qū) 113122]

0 引 言

近年來,在大力發(fā)展交通事業(yè)的理論指導(dǎo)下,中國大橋建造水平以使世界所驚嘆的高規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)和速度而迅猛發(fā)展,并取得了巨大成就。由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,機動車及重型車輛的數(shù)量不斷增加,這對路面和大橋而言也是一個巨大的壓力,后果也不言而喻,如今舊的橋梁發(fā)現(xiàn)出來的問題,病害極其類似、破壞嚴(yán)重,橋梁也在長時間的受病害影響下工作,同時面臨著剛度不夠、耐久性和安全系數(shù)過低的隱患。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,交通量的日益增多,較多服役橋梁出現(xiàn)不同的病害,而根據(jù)橋梁養(yǎng)護等相關(guān)規(guī)范可知,這樣的橋梁可以通過后期的維修加固,實現(xiàn)橋梁的正常運營通行。目前橋梁加固設(shè)計的流程是首先進行橋梁實際情況的調(diào)查分析,搜集橋梁原設(shè)計資料,對橋梁承載能力進行評定,最后通過靜力荷載試驗和動力荷載試驗?zāi)Ｐ蜆蛄赫鎸嵤芰η闆r,最后進行橋梁加固方案的設(shè)計。[1]該種方法雖然能夠較準(zhǔn)確、真實地模擬橋梁實際受力情況,但是靜載和動載試驗需要投入更多的時間成本和經(jīng)濟成本[2]。本文旨在研究通過外觀質(zhì)量狀況和橋梁承載能力進行加固設(shè)計的可行性。

1 工程概況

該橋橋跨布置為3×13 m裝配式鋼筋混凝土箱梁,下部使用柱式橋臺橋墩,樁基礎(chǔ),橋梁全長42.8 m。此橋竣工于1993年,設(shè)計荷載汽-超20,掛-120;13 cm厚防水混凝土橋面鋪裝,橋?qū)拑?1 m+2×0.5 m防撞護欄。

全橋橋面混凝土存在不同程度的破損,鋪裝的主要病害為縱、橫、網(wǎng)狀裂縫,橋面處以及伸縮縫處混凝土有破損。兩側(cè)設(shè)置欄桿,欄桿也出現(xiàn)相應(yīng)損壞。支座也出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。橋梁下部靠近支座處存在多處滲水泛白現(xiàn)象,濕接縫連接出現(xiàn)裂紋,橋梁底部出現(xiàn)輕微縱向裂縫。

2 舊橋承載能力計算

舊橋根據(jù)《通規(guī)》和《標(biāo)準(zhǔn)》采用公路-Ⅱ級荷載進行驗算,利用MIDAS Civil、MIDAS CDN建立有限元分析模型。根據(jù)確定的修正系數(shù),通過對抗力的修正,對橋梁承載能力進行評定。

2.1 承載能力評定系數(shù)[3]

2.1.1 檢算系數(shù)Z1

對于承載能力檢算系數(shù)Z1,依據(jù)規(guī)范,結(jié)合檢測評定結(jié)果對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)、混凝土強度、橋梁外觀質(zhì)量這三項指標(biāo)進行取值,再通過計算,得到舊橋檢算系數(shù)Z1為1.115,見表1。

表1 Z1計算表

2.1.2 承載能力惡化系數(shù)ξe

承載能力惡性系數(shù)ξe是指綜合考慮評價期內(nèi),該橋結(jié)構(gòu)質(zhì)量情況因繼續(xù)衰減而變壞所帶來的不良效果,使用承載能力惡性系數(shù)ξe來表達不良效果可能導(dǎo)致的抗力下降。根據(jù)《公路橋梁承載力檢測評定法規(guī)》(JTG/TJ21—2011),計算出舊橋ξe為0.055 8,見表2。

表2 承載能力惡化系數(shù)ξe評定表

2.1.3 截面折減系數(shù)ξc

對于磚、石及其水泥構(gòu)造和配筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,應(yīng)當(dāng)充分考慮由建筑材料風(fēng)化、碳化、自然狀態(tài)的破壞所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面缺失,包括由鋼材腐蝕脫落所導(dǎo)致的鋼材有效截面減小,對結(jié)構(gòu)截面抗力產(chǎn)生負面影響。在運算結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)時,可以使用該系數(shù)確定此影響,ξc為0.98,見表3。

表3 截面折減系數(shù)ξc評定表

2.1.4 承載能力調(diào)整系數(shù)α

按照規(guī)范中的規(guī)定,由查表得到構(gòu)件截面折減系數(shù)ξc(表4)和鋼筋截面折減系數(shù)ξs(表5),綜合得到承載能力調(diào)整系數(shù)α=0.98。

表4 截面折減系數(shù)ξc參照表

表5 配筋混凝土鋼筋截面折減系數(shù)ξs參照表

2.1.5 活載影響修正系數(shù)ξq的確定

通過現(xiàn)場照片,兩側(cè)路面狀況均正常,且汽車的行駛車速也正常,代表道路流量已接近設(shè)計道路交通量,而相對于實際道路交通量的高活載影響系數(shù)ξq1即為1.0,有部分嚴(yán)重超載車輛通過,依據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\輸管理機構(gòu)的道路交通量統(tǒng)計報告,重車混入率α< 0.3,所以ξq2取1.05,以后軸重大于車輛檢算荷載的最大軸載占比β(β<5%),應(yīng)取ξq3為1.0?？傻玫叫拚禂?shù)ξq=(ξq1ξq2ξq3)1/3=1.016 4。

2.2 承載能力極限狀態(tài)

橋梁承載能力極限狀態(tài)評定,通過確定修正系數(shù),對極限狀態(tài)方程中的構(gòu)件抵抗能力效益和荷載效應(yīng)進行修正,進而比較判斷結(jié)構(gòu)的承載能力狀況。

根據(jù)《承載能力評定規(guī)程》,對橋梁進行承載能力評定,極限狀態(tài)評定按以下公式計算:

γ0S≤R(fd,ξcadc,ξsads)Z1(1-ξe)

(1)

式中:γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù);S為荷載效應(yīng)函數(shù);R為結(jié)構(gòu)承載力函數(shù);fd為混凝土強度設(shè)計值;adc為構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值;ads為構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值;ξc為配筋混凝土結(jié)構(gòu)截面折減系數(shù);ξs為鋼筋截面折減系數(shù);Z1為承載能力檢算系數(shù);ξe為承載能力惡化系數(shù)。

2.3 配筋混凝土橋梁正常使用極限狀態(tài)

限制應(yīng)力見式(2):

σd

(2)

式中:σd為活載影響修正系數(shù)的截面應(yīng)力計算值;σL為應(yīng)力限值;Z1為承載能力檢算系數(shù)。

荷載作用下的變形見式(3):

fdl

(3)

式中:fdl為計算活載影響修正系數(shù)的荷載變形計算值;fL為變形限值;Z1為承載能力檢算系數(shù)。

各類荷載組合作用下裂縫寬度滿足見式(4):

δd

(4)

式中:δd為活載影響修正系數(shù)的短期荷載變形計算值;δL為變位限值;Z1為承載能力檢算系數(shù)。

運用《混規(guī)》和《承載能力評定規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[4-6],本工程項目承載力評價結(jié)論見表6。

表6 評定結(jié)果匯總表

對舊橋進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)驗算,該橋裂縫寬度、斜截面抗剪、正截面抗彎不滿足要求,舊橋目前狀態(tài)不滿足公路-Ⅱ級荷載要求。

本橋加固設(shè)計擬采用MPC高韌性聚合物進行加固。

3 加固后橋梁承載能力計算

MPC復(fù)合材料所加固的橋梁,是由水泥、鋼筋、纖維材料等組成的復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)。和未經(jīng)加強的橋比較,經(jīng)過MPC復(fù)合物加強后的主梁在橫斷面上的拉力主要由鋼筋材料和MPC復(fù)合物中的纖維共同承受,這樣就等于在主橋內(nèi)添加了大量鋼筋材料。但目前人們通常根據(jù)應(yīng)力等效原則,把MPC復(fù)合材料大致地折算為一定量的鋼筋材料,再根據(jù)普通鋼筋混凝土橋梁標(biāo)準(zhǔn)進行承載力研究。

以其中一片主梁為例,按照彈性模量公式E=σ/ε,設(shè)MPC復(fù)合材料和鋼筋協(xié)調(diào)的變形,則得εm=εs,再根據(jù)應(yīng)力等效原則σm=σs,得Es=20Em(Es=2×105MPa,Em=1×104MPa),將MPC材料近似轉(zhuǎn)化為3根直徑18 mm的鋼筋[7,8]。將所有梁體均添加相應(yīng)的鋼筋進行計算。加固后模型的其他參數(shù)與原橋相同。

3.1 承載能力極限狀態(tài)計算

根據(jù)規(guī)范里的相關(guān)規(guī)定,加固后橋梁承載能力計算結(jié)果如下。

3.1.1 正截面抗彎驗算

主梁抗彎計算結(jié)果見表7。

3.1.2 加固后主梁持久狀況斜截面抗剪驗算

主梁抗剪計算結(jié)果見表8。

表8 主梁抗剪計算表

根據(jù)上述結(jié)果可得,正截面抗彎、斜截面抗剪承載力有所提高,滿足規(guī)范要求。

3.2 正常使用極限狀態(tài)計算

3.2.1 加固后主梁使用階段裂縫寬度驗算

主梁裂縫寬度計算結(jié)果見表9。

表9 主梁裂縫計算表

3.2.2 加固后主梁使用階段撓度驗算

主梁撓度計算結(jié)果見表10。

表10 主梁撓度計算表

根據(jù)上述結(jié)果可知,裂縫寬度、撓度有所提高,滿足規(guī)范要求。

內(nèi)力計算結(jié)果匯總?cè)缦?見表11。

表11 評定結(jié)果匯總表

通過加固后由于截面剛度提高,在活載作用下主梁裂縫寬度明顯下降。承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求,橋梁加固卓有成效。

通過計算可知,采用MPC高韌性聚合物對主梁進行加固,是可行的。結(jié)合《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》(JTG H10—2009)、橋梁外觀狀況和上述內(nèi)力計算結(jié)果對該橋的加固方法進行經(jīng)濟比選來確定。該橋維修加固措施如下:對主梁梁底裂縫運行MPC高韌性聚合物加固;橋面鋪裝采用重新鋪裝; 更換伸縮縫;修補橋下錐坡、護坡。

4 結(jié) 論

(1) 用有限元軟件MIDAS Civil和CDN,對原橋進行內(nèi)力驗算。通過對舊橋的正截面抗彎、斜截面抗剪和裂縫等進行的評定驗算,得到承載力不滿足要求,需進行維修加固。依據(jù)相關(guān)規(guī)范,根據(jù)現(xiàn)狀制定初步加固方案,該方案為MPC高韌性聚合物法加固,橋面鋪裝使用重新鋪裝。使用cdn軟件對加固后橋梁的承載能力再次進行計算,得到模型的各項參數(shù)均符合要求。

(2) 通過結(jié)果對比,得知主梁采用MPC高韌性聚合物法加固是可以的。此加固方案能夠達到增強橋梁承載力效果,使其滿足公路-Ⅱ級的承載能力和正常使用要求。

(3) 通過橋梁承載能力計算,能夠較有效地進行橋梁加固方案的確定,該方法計算理論明確、計算數(shù)據(jù)結(jié)果對比明顯,不需要進行復(fù)雜的荷載試驗,節(jié)約時間和成本,因此根據(jù)承載能力評定進行加固設(shè)計在工程中是可行的。