某懸鏈線鋼筋混凝土箱型拱公路橋梁檢測與加固設(shè)計(jì)

肖忠輝

（核工業(yè)長沙中南建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南 長沙）

1 工程概況

項(xiàng)目位于湖南省長沙市，橋結(jié)構(gòu)型式為主跨采用高為90 m 的懸鏈線鋼筋混凝土箱型拱，拱的矢跨比為1/6，拱上建筑為空腹式，兩端邊跨各為二孔13 m簡支“T”型梁，主墩采用空心砼墩內(nèi)填毛石及砂礫石，邊跨為框架式橋墩和重力式橋臺。其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：橋長156.12 m，設(shè)計(jì)荷載：汽-20 t、掛100 t；橋面凈寬：9 m=1 m（人行道）+7 m（行車道）+1 m（人行道）；行車道數(shù)為雙向兩車道；洪水頻率：1/100，相應(yīng)洪水流量：4 100 m3/s。為確保大橋在運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)過程中結(jié)構(gòu)的安全，對大橋進(jìn)行橋梁狀態(tài)檢測及荷載試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

2 橋梁狀態(tài)檢測

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式，參照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21）[1]，對該橋部件進(jìn)行劃分和數(shù)量統(tǒng)計(jì)，并編號。如縱向編號示意圖見圖1。

圖1 縱向編號示意圖

通過以目測觀察結(jié)合儀器觀測，對橋梁主跨、墩臺基礎(chǔ)、橋墩、支座、河床、橋面鋪裝、人行道、伸縮縫、排水系統(tǒng)和欄桿及護(hù)欄的外觀狀態(tài)、鋼筋銹蝕、混凝土強(qiáng)度及碳化深度、保護(hù)層厚度、結(jié)構(gòu)變位進(jìn)行檢查，根據(jù)橋梁現(xiàn)場檢測結(jié)果，主要病害為墩基礎(chǔ)破損、剝落、松動(dòng)，墩蓋梁混凝土剝落露筋、鋼筋銹蝕，梁混凝土剝落、主筋裸露銹蝕等，依據(jù)橋梁技術(shù)狀況等級評定、單向控制指標(biāo)評定方法。邊跨主要部件上部承重部件技術(shù)狀況評分達(dá)到5 類，支座、橋墩技術(shù)狀況評分均達(dá)到4 類。采用橋梁狀況指數(shù)BCI 進(jìn)行綜合評定時(shí)，該橋邊跨技術(shù)狀況等級評定為4 類。

3 靜載試驗(yàn)

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21）[2]試驗(yàn)荷載選用汽車荷載，在靜載試驗(yàn)汽車荷載作用下，對受檢橋跨結(jié)構(gòu)控制孔跨在最不利截面處的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測：①橋跨典型位置處的撓度；②橋跨典型截面處的應(yīng)力分布；③橋梁結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)特性。

根據(jù)橋梁工程的現(xiàn)狀、檢測目的、已受荷載的狀態(tài)和相關(guān)規(guī)范規(guī)程，根據(jù)Midas/Civil 建立有限元模型在設(shè)計(jì)荷載作用下的進(jìn)行分析成橋后的橋跨在最不利的跨徑上進(jìn)行試驗(yàn)，確定結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下產(chǎn)生最大結(jié)構(gòu)效應(yīng)（變形和內(nèi)力）的截面位置，最終確定最大變形和最大彎矩的截面位置均為第2 跨跨中截面（正彎矩）、第3 跨拱頂截面（正彎矩）、第3 跨拱腳截面（負(fù)彎矩），因此將此3 截面作為靜載試驗(yàn)的控制截面。按照設(shè)計(jì)、試驗(yàn)荷載在控制截面處所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)（含變形和內(nèi)力）等效的原則，并結(jié)合現(xiàn)場的試驗(yàn)條件，計(jì)算確定所需試驗(yàn)荷載大小及其作用方式。本次靜載試驗(yàn)荷載采用車輛直接加載，等效荷載加載車輛使用3 軸載重卡車，前后軸距5.0 m，中后軸距1.4 m，試驗(yàn)車輛單車總重為400 kN，單車前軸、中軸和后軸重分別占總重的20%、40%和40%。按照荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)相同為原則，確定等效試驗(yàn)荷載的加載工況。根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測的目的并考慮布點(diǎn)、布線、數(shù)據(jù)采集、測試控制，最終得到各工況控制截面撓度對比見圖2～圖3。

圖2 1-1 截面工況1 撓度對比圖

圖3 2-2 截面工況2 撓度對比圖

大橋主跨在各測試工況荷載作用下，第3 跨各撓度測點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.91～1.03，應(yīng)變測點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.85～1.03，與JTG/T J21 中的撓度校驗(yàn)系數(shù)限值（0.5～1.0）及應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)（0.5～0.9）限值的規(guī)定不符；相對殘余變位最大為21.4%，應(yīng)變測點(diǎn)的相對殘余應(yīng)變最大為21.2%，均大于JTG/T J21 規(guī)定的限值（20%），表明受檢結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)欠缺，處于非彈性工作狀態(tài)。因此大橋主跨結(jié)構(gòu)剛度不滿足汽-20 級荷載的使用要求。

大橋邊跨在各測試工況荷載作用下，第2 跨各撓度測點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.95～1.03，應(yīng)變測點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.75～0.98，與JTG/T J21 中的撓度校驗(yàn)系數(shù)限值（0.5～0.9）及應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)（0.4～0.8）限值的規(guī)定不符；相對殘余變位最大為22.8%，應(yīng)變測點(diǎn)的相對殘余應(yīng)變最大為21.5%，均大于JTG/T J21 規(guī)定的限值（20%），表明結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)欠缺，處于非彈性工作狀態(tài)。因此大橋邊跨結(jié)構(gòu)剛度不滿足汽-20 級荷載的使用要求。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

本項(xiàng)目采用的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)測試有：無障礙行車（跑車）試驗(yàn)和有障礙行車（跳車）試驗(yàn)；采用的橋跨結(jié)構(gòu)自振特性測試有：無障礙行車（跑車）試驗(yàn)、有障礙行車（跳車）試驗(yàn)和環(huán)境隨機(jī)激振（脈動(dòng)）試驗(yàn)。無障礙行車、有障礙行車、制動(dòng)試驗(yàn)采用與本項(xiàng)目靜載試驗(yàn)的加載車輛相同的載重車輛。

建立橋梁有限元模型，計(jì)算大橋的自振特性（自振頻率和振型），其中第3 跨第一階陣型圖如圖4 所示。根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測的目的并考慮布點(diǎn)、布線、數(shù)據(jù)采集、測試控制得出實(shí)測數(shù)據(jù)。

圖4 第3 跨第一階振型圖

河大橋主跨理論計(jì)算豎向一階頻率值與實(shí)測值分別為3.01 Hz 和2.93 Hz，實(shí)測橋跨基頻小于橋梁理論頻率，表明橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度小于理論剛度，橋跨結(jié)構(gòu)剛度不滿足要求；主跨實(shí)測橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02，通常橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.01～0.1 之間，該橋結(jié)構(gòu)阻尼比正常，表明橋梁結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)能力良好。根據(jù)沖擊系數(shù)的實(shí)測值來評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能，大橋主跨結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)為最大值為1.184，超出理論沖擊系數(shù)1.179，表明橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能不佳。

大橋邊跨第2 跨理論計(jì)算豎向一階頻率值與實(shí)測值分別為8.96 Hz 和8.79 Hz，實(shí)測橋跨基頻小于橋梁理論頻率，表明橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度小于理論剛度，橋跨結(jié)構(gòu)剛度不滿足要求。大橋邊跨第2 跨結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02，通常橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.01～0.1之間，該橋結(jié)構(gòu)阻尼比正常，表明橋梁結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)能力良好。根據(jù)沖擊系數(shù)的實(shí)測值來評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能，李家峽水電站尾水下游黃河大橋邊跨第2跨結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)為最大值為1.244，未超出理論沖擊系數(shù)1.372，說明橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能良好。

依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21），通過橋梁外觀檢測判定：大橋主跨現(xiàn)階段總技術(shù)狀況等級評定為4 類，即影響承載能力，不能保證正常使用；大橋邊跨現(xiàn)階段總技術(shù)狀況等級評定為4類，即主要構(gòu)件有大的缺損，嚴(yán)重影響橋梁使用功能。依據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21），通過橋梁靜、動(dòng)載試驗(yàn)判定：大橋主跨、邊跨現(xiàn)階段承載能力不滿足正常設(shè)計(jì)荷載的使用要求。依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG 5120）3.8.3 條規(guī)定[3]，對技術(shù)狀況等級為4類的橋梁養(yǎng)護(hù)對策為：修復(fù)養(yǎng)護(hù)、加固或改造；及時(shí)進(jìn)行交通管制，必要時(shí)封閉交通。因此建議建議按《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG 5120）規(guī)定對主跨結(jié)構(gòu)按處理意見進(jìn)行修復(fù)養(yǎng)護(hù)，修復(fù)后繼續(xù)維持車輛限行管理（限制總重超過15 t 且單軸超過10 t 的車輛通行）；對邊跨結(jié)構(gòu)按處理意見進(jìn)行改造或加固，處理后繼續(xù)維持車輛限行管理；在修復(fù)、加固前應(yīng)加密對大橋的日常巡查和定期檢查，監(jiān)測大橋狀態(tài)，必要時(shí)應(yīng)及時(shí)封閉交通。

5 加固設(shè)計(jì)

根據(jù)大橋橋梁檢測與評估報(bào)告，需對接縫邊角剝落、出現(xiàn)坑洞、鋪裝面層磨光脫皮露骨、出現(xiàn)縱橫向裂縫、蓋梁混凝土開裂、剝落露筋、鋼筋銹蝕、臺身混凝土個(gè)別表面磨損、粗集料顯露等進(jìn)行缺陷修復(fù)；伸縮縫堵塞、不能自由變形，支座老化變形、剪切超限，對0#～5#臺及墩支座、伸縮縫進(jìn)行更換。其中伸縮縫安裝溫度需控制在15～20 ℃，且伸縮縫預(yù)留槽內(nèi)采用C50鋼纖維防水砼，每立方米砼內(nèi)摻入80 kg 鋼纖維。伸縮縫更換圖如圖5 所示。

圖5 伸縮縫平面構(gòu)造圖

針對大橋主跨剛度不足、承載能力不滿足正常設(shè)計(jì)荷載的使用要求的問題，對主跨混凝土箱型梁梁肋部分沿縱向分別新增單工字鋼HN400x200 和雙工字鋼HN400x200，并沿主跨縱向每1.5 m 設(shè)置橫向工字鋼HN400x200，所有新增工字鋼均通過自鎖錨桿與原混凝土箱梁連接，具體詳圖6 所示。

圖6 主跨加固示意圖

針對大橋邊跨剛度不足、承載能力不滿足正常設(shè)計(jì)荷載的使用要求的問題，對T 型混凝土梁進(jìn)行包鋼加固，截面增高200 mm；并在橫隔板處對T 型混凝土梁進(jìn)行滿包鋼加固，并在橫隔板底部新增12 mm 鋼板。所有新增鋼板均通過對穿植筋或植筋與原混凝土結(jié)構(gòu)連接，具體詳見圖7 所示。

圖7 邊跨加固示意圖

6 結(jié)論

（1） 本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)類型為懸鏈線鋼筋混凝土箱型拱橋，針對此橋設(shè)計(jì)靜載與動(dòng)載試驗(yàn)并實(shí)施，建立相應(yīng)的有限元模型，確定了該橋的剛度不足，且在正常設(shè)計(jì)荷載下承載力不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（2） 針對伸縮縫堵塞、不能自由變形現(xiàn)象，給出一種造價(jià)低、便于施工、工期短的伸縮縫改造方法。

（3） 對于該橋主跨和邊跨的剛度不足、承載能力不滿足正常設(shè)計(jì)荷載的使用要求的問題，對混凝土梁進(jìn)行新增鋼梁和包鋼的方案，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，確保結(jié)構(gòu)剛度與承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。