既有橋梁改造加固方案設(shè)計(jì)

陳紅霞

(江蘇緯信工程咨詢有限公司,江蘇 南京 210014)

0 引言

隨著我國(guó)交通行業(yè)的迅猛發(fā)展,既有橋梁的改造加固比例也日益增多。既有橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常見(jiàn)的主要病害表現(xiàn)為橋梁裂縫,這大幅降低了橋梁的壽命及使用性能,也影響了結(jié)構(gòu)的安全性。為了有效延長(zhǎng)橋梁的使用壽命,就需要對(duì)其采取加固措施進(jìn)行改造,在加固前首先要明確現(xiàn)有橋梁的病害產(chǎn)生原因,然后才能科學(xué)地選擇改造加固方法[1]?；诖?文章以組合箱梁為研究對(duì)象,探討其改造加固的方案設(shè)計(jì),以期為后續(xù)橋梁加固工程提供一些參考意見(jiàn)。

1 工程概況

以某30 m預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,橋跨布置為10 m×30 m,橋梁總長(zhǎng)308 m,箱梁梁高1.5 m,結(jié)構(gòu)先簡(jiǎn)支后連續(xù)。橋?qū)?8 m,其橫向布置為0.5 m護(hù)欄+12 m行車(chē)道+1 m護(hù)欄+1 m中分帶+1 m護(hù)欄+12 m行車(chē)道+0.5 m護(hù)欄。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩,橋墩墩柱直徑為1.3 m,樁基直徑為1.5 m,橋臺(tái)采用柱式橋臺(tái),樁基直徑1.2 m。

2 主要病害及原因分析

經(jīng)過(guò)橋梁檢測(cè)發(fā)現(xiàn),該橋的主要病害表現(xiàn)為梁底裂縫[2],具體表現(xiàn)為梁底縱向裂縫和梁底橫向裂縫。縱向裂縫普遍存在,縱向間斷性延伸,橫向裂縫主要分布在距梁端1/4至3/4跨,縱向裂縫和橫向裂縫寬度均在0.15 mm以下。

2.1 計(jì)算模型

應(yīng)用MIDAS CIVLI構(gòu)建橋梁有限元模型,模型中主梁、橋墩、樁基礎(chǔ)均使用梁?jiǎn)卧?主梁與橋墩采用一般支座連接,樁基與地基土采用彈簧連接。

2.2 計(jì)算參數(shù)

(1)結(jié)構(gòu)按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)。

(2)箱梁采用C50混凝土,混凝土容重為26 kN/m3。

(3)鋼絞線主要采用Φs15.2 mm,預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為1 390 MPa。

(4)整體溫度按照整體升降溫25 ℃。

(5)荷載等級(jí):原設(shè)計(jì)采用汽—超20、掛—120;實(shí)際采用1.2倍公路-I級(jí)。

2.3 計(jì)算結(jié)果

按照《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)(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”),在1.2倍公路-I級(jí)荷載作用下,對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁在荷載組合Ⅱ作用下的抗彎承載力和應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3.1 抗彎承載力

截面最大抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

表1 橋梁加固前正截面最大抗彎承載力驗(yàn)算 單位:kN·m

由表1可知,中梁、邊梁在組合Ⅱ作用下,截面最大彎矩內(nèi)力均大于結(jié)構(gòu)抗力,極限承載能力驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求。

2.3.2 主應(yīng)力

主應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

表2 橋梁加固前主應(yīng)力驗(yàn)算 單位:MPa

由表2可知,中梁在荷載組合Ⅱ作用下,箱梁跨中下緣的最大主拉應(yīng)力為-4.0 MPa(>-2.7 MPa),墩頂處的最小主應(yīng)力最大值為-2.8 MPa(>-2.7 MPa),不滿足A類構(gòu)件的要求;邊梁在荷載組合Ⅱ作用下,箱梁跨中下緣的最大主拉應(yīng)力為-4.7 MPa(>-2.7 MPa),墩頂處的最小主應(yīng)力最大值為-3.0 MPa(>-2.7 MPa),不滿足A類構(gòu)件的要求。

2.4 病害原因分析

2.4.1 梁底縱向裂縫

橋梁底部出現(xiàn)大量縱向裂縫的主要原因之一是預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力不滿足設(shè)計(jì)要求,梁底主拉應(yīng)力超過(guò)限值,從而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

本橋箱梁采用90年代部頒通用圖,與目前采用的通用圖相比,總體上變化不大,原箱梁尺寸稍偏小,梁高高度低10 cm,腹板、底板厚度薄3 cm,邊梁預(yù)應(yīng)力鋼束少4根Φs15.2,中梁少3根Φs15.2。端部腹板縱向水平鋼筋φ8間距10 cm,中部腹板縱向水平鋼筋φ8間距20 cm偏大。通過(guò)計(jì)算可知,在實(shí)際荷載作用下,底板最大拉應(yīng)力為-4 MPa,不滿足規(guī)范部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件限值-2.7 MPa要求,故產(chǎn)生縱向裂縫。

此外,溫度梯度的存在也是縱向裂縫形成的另一個(gè)重要因素。當(dāng)橋梁受到太陽(yáng)直射時(shí),其所在位置的溫度升高較快,而底部避光的溫度較低,這種溫度梯度會(huì)導(dǎo)致橋梁梁底產(chǎn)生較大的縱向應(yīng)力,從而引發(fā)裂縫的形成。這種溫度梯度的應(yīng)力變化會(huì)隨著橋梁截面高度、箱梁長(zhǎng)度以及支撐約束的變化而快速發(fā)生改變。與此同時(shí),梁底的翼緣受到外界環(huán)境溫度的影響,使得拉壓應(yīng)力頻繁交替出現(xiàn),這也容易導(dǎo)致縱向裂縫的形成。

2.4.2 梁底橫向裂縫

底板橫向裂縫主要由超載作用引起,在1.2倍公路-I級(jí)荷載作用下,箱梁承載能力和抗裂性能?chē)?yán)重不足,截面出現(xiàn)大于限值的橫向裂縫。

2.4.3 結(jié)構(gòu)完整性受損

梁底裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的完整性受到破壞,對(duì)橋梁的承載能力和安全性產(chǎn)生了負(fù)面影響。當(dāng)梁底發(fā)生裂縫時(shí),原本連續(xù)的結(jié)構(gòu)被打斷,使得橋梁的受力傳遞受到干擾和削弱。裂縫的存在會(huì)導(dǎo)致梁底的剛度降低,使得梁體在荷載作用下產(chǎn)生較大的撓度和變形,進(jìn)而影響橋梁的整體穩(wěn)定性。梁底裂縫還會(huì)增加橋梁的應(yīng)力集中區(qū)域,使得裂縫周?chē)幕炷脸惺芨蟮膽?yīng)力,進(jìn)一步加劇了結(jié)構(gòu)的破壞。這可能導(dǎo)致裂縫的擴(kuò)展和混凝土的剝落,進(jìn)一步削弱了橋梁的承載能力。特別是在長(zhǎng)期使用和不斷受到交通荷載作用的情況下,梁底裂縫可能會(huì)逐漸擴(kuò)大,導(dǎo)致橋梁的結(jié)構(gòu)完整性更加受損。

3 改造加固方案

3.1 加固方案設(shè)計(jì)

針對(duì)橋梁承載力不足的問(wèn)題,目前常用的加固方案有4種。

其二，突出各部門(mén)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道的積極協(xié)同配合。由于“五水共治”不單單是水利和環(huán)保等部門(mén)的工作，而是涉及到鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道等基層組織的工作，所以就需要通過(guò)宣傳報(bào)道營(yíng)造一種各單位、各部門(mén)、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道齊心協(xié)力、共同為“五水共治”獻(xiàn)計(jì)出力的氛圍。

3.1.1 施加體外預(yù)應(yīng)力法

在箱梁體外增加預(yù)應(yīng)力束,其優(yōu)點(diǎn)是能夠有效提升橋梁結(jié)構(gòu)剛度,加強(qiáng)主梁抗裂能力;缺點(diǎn)是主梁箱室內(nèi)高度與鋼束加固效率低。該方法適用于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的加固以及高應(yīng)力、高應(yīng)變條件下的混凝土橋梁加固,不適用無(wú)防護(hù)且溫度高于60 ℃的環(huán)境以及混凝土收縮徐變大的橋梁結(jié)構(gòu)。

3.1.2 鋼板粘貼法

在梁底鋼板加固法是在梁底表面焊接或螺栓固定鋼板,以增加梁底的強(qiáng)度和剛度[2]。優(yōu)點(diǎn)是施工相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)梁底裂縫的寬度和位置要求較寬松。鋼板加固具有較高的抗拉能力和耐久性,能夠有效抵抗梁底裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。缺點(diǎn)是鋼板的施工成本較高,且鋼板加固法在受到?jīng)_擊或震動(dòng)荷載時(shí)可能出現(xiàn)松動(dòng)或破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.3 碳纖維粘貼法

將碳纖維布或板材粘貼在梁底面,通過(guò)碳纖維材料的高強(qiáng)度和剛度來(lái)增加梁底的承載能力[3]。碳纖維加固材料具有良好的耐久性和抗腐蝕性,同時(shí)對(duì)交通影響小且加固不損傷主梁;然而,碳纖維加固法的增強(qiáng)效果受溫度變化和濕度等環(huán)境因素的影響較大,需要進(jìn)行定期檢測(cè)和維護(hù)。除此以外,施工質(zhì)量控制難度較高,粘貼操作掩蓋病害影響其發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)。

3.1.4 置換加固法

通過(guò)在梁底設(shè)置新的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體來(lái)替代受損的部分,以增強(qiáng)梁底的承載能力。常見(jiàn)的置換加固方法包括加裝鋼梁、混凝土面板或預(yù)制梁等。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠在一定程度上恢復(fù)梁底的完整性和剛度,提高橋梁的承載能力,適用于梁底裂縫較嚴(yán)重、超過(guò)修復(fù)能力的情況。然而,置換加固法的缺點(diǎn)為施工難度較大,需要進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算和施工方案設(shè)計(jì),成本較高。

通過(guò)計(jì)算可知,次邊跨和中跨箱梁的抗彎承載能力相差較大,梁體拉應(yīng)力水平超過(guò)規(guī)范限值較多,故本次體外束配置采用長(zhǎng)、短鋼束相結(jié)合的形式,即兩邊跨各配短束、中間四跨配通長(zhǎng)束(見(jiàn)圖1)。

圖1 施加體外預(yù)應(yīng)力束(僅示一片邊梁、一片中梁)

根據(jù)組合箱梁施加體外預(yù)應(yīng)力束加固后的承載能力驗(yàn)算結(jié)果可知,加固后的箱梁承載能力滿足規(guī)范要求,但是富余度較小。為改善橋梁受力狀況和防止后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中更大的超載作用,進(jìn)一步增加箱梁剛度,另對(duì)組合箱梁底板下緣粘貼鋼板進(jìn)行加固,每片梁底板粘貼2條寬250 m、厚5 mm的鋼板(見(jiàn)圖2)。

圖2 粘貼鋼板(僅示一片邊梁、一片中梁)

3.2 加固效果分析

3.2.1 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

分析組合箱梁橋改造加固后正截面抗彎承載能力,驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3可以看出,組合箱梁橋改造加固后,中梁、邊梁在組合Ⅱ作用下,正截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求。

3.2.2 主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

分析組合箱梁橋改造加固后的應(yīng)力,驗(yàn)算結(jié)果如表4所示。

通過(guò)表4可以看出,組合箱梁橋改造加固后,中梁在組合Ⅱ作用下箱梁跨中下緣的最大主拉應(yīng)力為-1.5 MPa(<-2.7 MPa),墩頂處的主拉應(yīng)力最大值為-2.4 MPa(<-2.7 MPa),滿足A類構(gòu)件的要求;邊梁在組合Ⅱ作用下箱梁跨中下緣的最小主應(yīng)力為-2.66 MPa(<-2.7 MPa),墩頂處的最小主應(yīng)力最大值為-2.5 MPa(<-2.7 MPa),滿足A類構(gòu)件的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁在車(chē)輛超載情況下承載力和應(yīng)力均不滿足規(guī)范要求,在采取體外預(yù)應(yīng)力和粘貼鋼板相結(jié)合的綜合加固法加固后,橋梁正截面抗彎承載力與應(yīng)力均有顯著提升,滿足規(guī)范要求,說(shuō)明該加固方法設(shè)計(jì)合理,希望可以為后續(xù)類似的橋梁加固工程提供一些參考意見(jiàn)。