大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋損傷評(píng)估及加固設(shè)計(jì)方法

■ 文/供圖｜中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司 宋浩 徐英雷 夏興佳 郭河

沙坡頭黃河特大橋 寧夏公路管理中心 供圖

連續(xù)剛構(gòu)橋兼具連續(xù)梁橋和T形剛構(gòu)橋的優(yōu)點(diǎn)，具有更大的跨越能力，行車(chē)舒適性更佳，該類(lèi)橋型在全國(guó)乃至世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量與日俱增，很多橋梁超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，出現(xiàn)了各種各樣的病害，如跨中持續(xù)下?lián)?、跨中底板橫向裂縫、腹板斜向裂縫和豎向裂縫等。這些橋梁病害成為公路交通運(yùn)輸?shù)陌踩[患，嚴(yán)重威脅了公眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。如果將這些橋梁拆除重建，不僅造價(jià)高昂，而且還會(huì)阻礙公眾的正常出行，帶來(lái)較大的負(fù)面社會(huì)影響。因此，評(píng)估橋梁的損傷狀態(tài)并據(jù)此對(duì)橋梁進(jìn)行加固是當(dāng)前行之有效的方法。

沙坡頭黃河特大橋位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市G2012定武高速上，主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋，跨徑組合為（65+2×120+65）米，橋面總寬2×12.5米，設(shè)計(jì)荷載為“公路-I級(jí)”，該橋竣工于2008年10月。本文依托沙坡頭黃河特大橋加固工程，結(jié)合橋梁檢測(cè)結(jié)果，評(píng)估橋梁損傷，并按照包絡(luò)法進(jìn)行橋梁加固設(shè)計(jì)，采取體內(nèi)預(yù)應(yīng)力加固方法對(duì)橋梁實(shí)施加固，經(jīng)驗(yàn)證，這種加固方法對(duì)存在類(lèi)似病害的連續(xù)剛構(gòu)橋梁加固工程具有借鑒意義。

沙坡頭黃河特大橋主橋立面圖（單位：厘米）

沙坡頭黃河特大橋主橋橫斷面圖（單位：厘米）

檢測(cè)試驗(yàn)查隱患

項(xiàng)目技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)外觀檢測(cè)和荷載試驗(yàn)，找到了沙坡頭黃河特大橋箱梁的主要病害，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)了橋梁的承載能力不能滿足橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求的隱患。

外觀檢測(cè)結(jié)果

外觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，箱梁的主要病害為跨中附近底板出現(xiàn)大量橫向裂縫及延伸到腹板的豎向裂縫，1/4跨附近腹板有少量斜向裂縫，底板有斷續(xù)縱向裂縫，相比上一年檢測(cè)結(jié)果，裂縫數(shù)量增加明顯。通過(guò)對(duì)橋面線形測(cè)試結(jié)果分析，左右幅主橋線形第二跨、第三跨跨中存在明顯下?lián)?，第一跨、第四跨未?jiàn)明顯變形，基本平順。

荷載試驗(yàn)結(jié)果

沙坡頭黃河特大橋在與設(shè)計(jì)荷載等效的試驗(yàn)荷載作用下，滿載時(shí)主橋右幅第二跨關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大撓度校驗(yàn)系數(shù)為1.08，最大應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為1.06，均大于1，因此橋梁承載能力不能滿足橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。

雖然實(shí)測(cè)第一階振型與理論計(jì)算較為吻合，但實(shí)測(cè)第一階頻率（1.13赫茲）略小于理論計(jì)算第一階頻率（1.18赫茲），橋梁整體振動(dòng)特性較差，說(shuō)明橋梁整體豎向剛度小于原設(shè)計(jì)剛度。

模擬現(xiàn)狀估損傷

對(duì)于舊橋加固工程，難點(diǎn)之一就是估計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷程度，即模擬橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，這需要根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，采用有限元數(shù)值模擬的方法將病害情況反映到橋梁結(jié)構(gòu)中。對(duì)于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用剛度折減和預(yù)應(yīng)力額外損失估計(jì)的方法進(jìn)行橋梁損傷評(píng)估是目前較為普遍的做法。

由于橋梁上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫和局部損傷的病害時(shí)，橋梁截面的剛度會(huì)有所下降，故在建模計(jì)算時(shí)以結(jié)構(gòu)的原剛度為基礎(chǔ)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)是不恰當(dāng)?shù)?，?yīng)對(duì)原結(jié)構(gòu)的剛度予以折減，以模擬橋梁的真實(shí)剛度現(xiàn)狀。橋梁荷載試驗(yàn)是反映結(jié)構(gòu)剛度最為直接和有效的方法，沙坡頭黃河特大橋在加固前進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，對(duì)靜載試驗(yàn)撓度數(shù)據(jù)和動(dòng)載試驗(yàn)頻率數(shù)據(jù)的分析表明，橋梁現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)剛度約為原設(shè)計(jì)剛度的94%。

折減結(jié)構(gòu)剛度后，再通過(guò)預(yù)應(yīng)力額外損失估計(jì)的方法模擬橋梁損傷狀態(tài)，有限元計(jì)算中模擬預(yù)應(yīng)力額外損失普遍的做法是降低張拉控制應(yīng)力，該方法可以起到模擬預(yù)應(yīng)力損失的作用，但是忽略了預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的貢獻(xiàn)。本項(xiàng)目模擬預(yù)應(yīng)力額外損失的做法是減小預(yù)應(yīng)力鋼絞線面積，而控制應(yīng)力不變，這一做法兼顧了預(yù)應(yīng)力的損失和結(jié)構(gòu)承載力的降低，可以較為準(zhǔn)確地模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕造成的剛度降低和結(jié)構(gòu)承載能力下降的情況。

主橋箱內(nèi)腹板加厚位置布設(shè)鋼筋網(wǎng)及波紋管，原腹板表面鑿毛處理。

采用MIDAS/CIVIL有限元軟件依據(jù)平面桿系理論建立主橋有限元模型，根據(jù)荷載試驗(yàn)結(jié)果，將主梁剛度按照94%的系數(shù)進(jìn)行折減；根據(jù)橋梁裂縫分布情況，豎向預(yù)應(yīng)力損失按50%考慮，并分別按照5%、10%、15%、20%、25%、30%的比例試算縱向預(yù)應(yīng)力額外損失，以估計(jì)橋梁實(shí)際損傷狀態(tài)。

橋梁有限元計(jì)算模型

結(jié)合檢測(cè)病害情況，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，主要控制應(yīng)力為主跨跨中下緣和中墩上緣正應(yīng)力、腹板最大主拉應(yīng)力，將縱向預(yù)應(yīng)力額外損失的6種情況分別與損失前的原橋計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如下表所示。

各種縱向預(yù)應(yīng)力損失狀況下的應(yīng)力分析對(duì)比表（單位兆帕，拉為正，壓為負(fù)）

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失為20%時(shí)，主跨跨中出現(xiàn)3.30兆帕的正應(yīng)力，超過(guò)部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類(lèi)構(gòu)件的拉應(yīng)力限值0.7ftk（混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）=1.86兆帕，主梁底面和腹板將會(huì)開(kāi)裂。同時(shí)根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失為20%時(shí)，斜截面也出現(xiàn)了1.70兆帕的主拉應(yīng)力，主梁腹板將會(huì)出現(xiàn)斜裂縫。這與“跨中附近底板出現(xiàn)大量橫向裂縫及延伸到腹板的豎向裂縫，1/4跨附近腹板有少量斜向裂縫”的情況較為吻合，故以此時(shí)狀態(tài)為橋梁現(xiàn)狀。

包絡(luò)方法固結(jié)構(gòu)

目前，橋梁損傷評(píng)定理論不盡完善，結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)難以全面獲得和模擬，因此應(yīng)引入包絡(luò)法的設(shè)計(jì)理念。根據(jù)橋梁損傷狀態(tài)的分析情況，運(yùn)用計(jì)算模型對(duì)損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行包絡(luò)加固設(shè)計(jì)，包絡(luò)設(shè)計(jì)的上限為原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)完好，主要控制壓應(yīng)力，以防止補(bǔ)充預(yù)應(yīng)力過(guò)多而導(dǎo)致混凝土壓壞；包絡(luò)設(shè)計(jì)的下限為預(yù)應(yīng)力損失30%、剛度折減94%的損傷狀態(tài)，主要控制拉應(yīng)力，以防止補(bǔ)充預(yù)應(yīng)力不足而無(wú)法達(dá)到加固效果。

根據(jù)外觀檢測(cè)結(jié)果，沙坡頭黃河特大橋存在大量豎向、橫向和縱向裂縫，且較2015年均有所擴(kuò)展。根據(jù)荷載試驗(yàn)結(jié)果，沙坡頭黃河特大橋剛度有所下降，承載能力不足。根據(jù)橋梁損傷計(jì)算結(jié)果，沙坡頭黃河特大橋跨中預(yù)應(yīng)力存在一定損失、壓應(yīng)力儲(chǔ)備不足，在恒載、預(yù)應(yīng)力及車(chē)輛荷載作用下，造成底板跨中下緣開(kāi)裂，裂縫的出現(xiàn)又削弱了箱梁跨中剛度，降低了結(jié)構(gòu)承載能力。為了抑制裂縫開(kāi)展，恢復(fù)原結(jié)構(gòu)剛度，同時(shí)提高承載力，本項(xiàng)目采取體內(nèi)預(yù)應(yīng)力輔以增大截面的主動(dòng)加固方法。

腹板加厚位置混凝土采用分層澆筑。

此次加固設(shè)計(jì)是基于主控模型模擬的橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行分析計(jì)算的。在箱梁內(nèi)部腹板每側(cè)加厚17厘米混凝土，并設(shè)置3對(duì)15-16腹板束F1、F2、F3，在11號(hào)墩頂交錯(cuò)錨固，10、11、12號(hào)墩頂設(shè)置兩對(duì)腹板下彎束F4、F5，恢復(fù)主梁承載力和剛度，改善箱梁受力。腹板加厚混凝土采用C50自密實(shí)混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束采用16φs15.2鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為1395兆帕，波紋管采用塑料波紋管，錨具采用15-16型錨具。

主橋箱內(nèi)腹板加厚及鋼束斷面布置圖

承載能力極限狀態(tài)基本組合下主梁控制截面內(nèi)力驗(yàn)算表

由上表可知，加固后橋梁承載能力均有所提高，主梁截面抗力值均大于基本組合作用下的內(nèi)力值，承載能力極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求。

由下表可知，采用包絡(luò)法加固設(shè)計(jì)后，當(dāng)無(wú)縱向預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，加固后最大主壓應(yīng)力為16.18兆帕，小于規(guī)范規(guī)定值19.44兆帕，滿足規(guī)范關(guān)于混凝土主壓應(yīng)力驗(yàn)算的要求；當(dāng)縱向預(yù)應(yīng)力額外損失20%時(shí)，加固后跨中正截面受壓，壓應(yīng)力為1.08兆帕，小于0，滿足規(guī)范關(guān)于正截面抗裂驗(yàn)算的要求，主拉應(yīng)力為0.38兆帕，小于規(guī)范規(guī)定值1.06兆帕，滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件斜截面抗裂驗(yàn)算的要求；當(dāng)縱向預(yù)應(yīng)力額外損失30%，加固后跨中附近正應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)0.88兆帕的拉應(yīng)力，但是小于1.855兆帕，滿足規(guī)范關(guān)于A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件抗裂驗(yàn)算的要求，主拉應(yīng)力為1.25兆帕，小于1.325兆帕，滿足規(guī)范關(guān)于A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件斜截面抗裂驗(yàn)算的要求。

沙坡頭黃河特大橋立面照片

正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算對(duì)比表（單位：兆帕，拉為正，壓為負(fù)）

以上計(jì)算也說(shuō)明，對(duì)剛度不足的橋梁進(jìn)行加固，采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的主動(dòng)加固方法能起到較好的效果，在提高結(jié)構(gòu)承載能力的同時(shí)也恢復(fù)了結(jié)構(gòu)的剛度。