黃明海 王 萌(鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 河南 鄭州 450001)
隨著橋梁使用年限的增長(zhǎng)、車(chē)流量及車(chē)輛荷載的日益增大,很多公路上的橋梁出現(xiàn)不同程度、各種各樣的病害,嚴(yán)重的還會(huì)危害橋梁結(jié)構(gòu)的安全,甚至造成安全事故。本文結(jié)合某典型病害橋例,結(jié)合檢測(cè)結(jié)果分析病害原因,提出加固措施,以期對(duì)未來(lái)日益增多的舊橋改造提供有價(jià)值的參考。
該橋位于國(guó)道310上,建于1990年,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為汽車(chē)-超20,驗(yàn)算荷載為掛車(chē)-120,人群荷載為3kN/m2。橋梁左右分為兩幅,中央分隔帶寬2m,單幅4車(chē)道,行車(chē)道寬18.25m,人行道寬1.25m,防撞墻寬0.5m,全橋長(zhǎng)5孔50m,上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T型梁,橫向由8片T梁組成,翼板由鋼板搭接連接,梁間每隔7m設(shè)一道橫隔梁。下部結(jié)構(gòu)為樁柱接蓋梁結(jié)構(gòu),鉆孔灌注樁基礎(chǔ),每墩設(shè)三根立柱,柱高約20m,柱徑1.8m,樁徑2.0m。
該橋主梁、 橫隔梁及墩柱分別出現(xiàn)不同程度的病害。分別如下:
主梁裂縫有密集型、破損嚴(yán)重型和可閉合型裂縫。個(gè)別梁體裂縫達(dá)30條之多。按梁統(tǒng)計(jì)表明,顯裂縫的出現(xiàn)率約為1/8=12.5%,可閉合裂縫的出現(xiàn)率按梁統(tǒng)計(jì)約為2/8=25%,均出現(xiàn)在主梁跨中的梁橫隔梁之間??砷]合裂縫分布密集,有發(fā)展趨勢(shì),成為主梁結(jié)構(gòu)安全隱患,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)承載能力和使用壽命。
橫隔梁?jiǎn)栴}主要有兩個(gè):其一對(duì)接頭失效(見(jiàn)圖1),其一是對(duì)接頭錯(cuò)位(見(jiàn)圖1)。
橫隔梁對(duì)接頭完全失效的左幅橋占17.26%,右幅橋21.43%。
相鄰主梁的橫隔梁對(duì)接部位偏差大多數(shù)在50~59mm范圍,占23.8%,其次是40~49mm的占22.2%。橫隔梁對(duì)接頭偏差嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)荷載的橫向分布和結(jié)構(gòu)的承載能力。
圖1 橫隔梁接頭失效
圖2 橫隔梁接頭錯(cuò)位
墩柱發(fā)現(xiàn)有明顯的沿柱高方向的豎向裂縫,縫寬均超出正常使用要求,寬度最寬的達(dá)到0.45mm,詳見(jiàn)圖3、圖4;對(duì)于柱裂縫深度,經(jīng)取芯驗(yàn)證,裂縫深度超過(guò)保護(hù)層,進(jìn)入核心受壓區(qū)。個(gè)別墩柱存在水平縫,且裂縫處在發(fā)展過(guò)程中,有連接貫通趨勢(shì)。
圖3 墩頂豎向裂縫
圖4 墩身豎向裂縫
鑒于以上病害,對(duì)整個(gè)橋梁進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)、靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn),檢測(cè)情況及主要結(jié)論如下:
無(wú)損檢測(cè)主要為確定混凝土強(qiáng)度的回彈試驗(yàn)及混凝土碳化深度測(cè)試,混凝土的回彈試驗(yàn)和碳化測(cè)試結(jié)果表明,現(xiàn)役橋梁的混凝土柱的強(qiáng)度等級(jí)在均值28.0MPa,標(biāo)準(zhǔn)差3.66 MPa,批推定強(qiáng)度22 MPa,不滿足原設(shè)計(jì)要求(25號(hào)混凝土,約相當(dāng)于C23);混凝土主梁的強(qiáng)度等級(jí)均值53MPa,標(biāo)準(zhǔn)差2.85MPa,批推定強(qiáng)度48.3 MPa。滿足原設(shè)計(jì)要求(50號(hào)混凝土,約相當(dāng)于C48)。
但存在個(gè)別構(gòu)件強(qiáng)度偏低現(xiàn)象,墩柱的碳化嚴(yán)重現(xiàn)象。
最大靜載試驗(yàn)荷載下,邊梁跨中的梁底面應(yīng)變約為372με(折算應(yīng)力為12.8MPa),校驗(yàn)系數(shù)為2.24;中梁的為593με(折算應(yīng)力為20.5MPa),校驗(yàn)系數(shù)為5.87,大大超過(guò)了校驗(yàn)系數(shù)容許范圍。
中梁靜載試驗(yàn)測(cè)得跨中最大豎向位移為20.04mm,邊梁的為18.67mm,《規(guī)范》規(guī)定結(jié)構(gòu)容許位移[w]=L/600=81mm??紤]自重等因素,最大總撓度為73.84mm<81.7mm,剛度滿足要求。然而,荷載較小時(shí)校驗(yàn)系數(shù)大于1.0,較大時(shí)又小于1.0,表明結(jié)構(gòu)損傷較為嚴(yán)重。
跑車(chē)試驗(yàn)在40km/hr速度下的最大動(dòng)荷系數(shù)為μ=0.11,在60km/hr速度下的最大動(dòng)荷系數(shù)為μ=0.23,車(chē)速對(duì)動(dòng)荷載系數(shù)影響明顯。
由于橋梁的第一跨與第三跨現(xiàn)狀不同,進(jìn)行了雙梁靜載試驗(yàn),試驗(yàn)表明:左幅橋第一跨的北二梁與北三梁之間的鋪裝層斷裂,荷載橫向分布大大減小,與鋪裝層完好的第三跨比較,第一跨的應(yīng)力(11.3MPa)是第三跨的應(yīng)力(5MPa)的2.26倍,增加126%。
簡(jiǎn)單計(jì)算表明,主梁在橫向分擔(dān)荷載完好的情況下,安全系數(shù)約為1.63,如果考慮15%的預(yù)應(yīng)力損失,安全系數(shù)降為1.38。因此主梁的極限狀態(tài)的儲(chǔ)備是不樂(lè)觀的。
而對(duì)比試驗(yàn)表明,單梁狀態(tài)的構(gòu)件長(zhǎng)期工作在大荷載情況下,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命。
鑒于橫梁連接失效和前期運(yùn)營(yíng)車(chē)輛超載現(xiàn)象普遍等造成橋梁種種損傷和病害,降低了結(jié)構(gòu)的承載能力,需進(jìn)行加固和改造,以提高橋梁的局部和整體結(jié)構(gòu)的安全性,阻止病害的增加和發(fā)展,提高病害橋梁的永久承載能力,達(dá)到提高使用壽命的目的。結(jié)合病害情況和檢測(cè)結(jié)果,分別對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行加固,措施如下:
根據(jù)無(wú)損檢測(cè)可知主梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)可以滿足原設(shè)計(jì)要求,但靜載試驗(yàn)表明梁梁底應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大大超過(guò)容許范圍,而位移的校驗(yàn)系數(shù)在荷載大小情況下規(guī)律不一,結(jié)合梁體裂縫,綜合判定結(jié)構(gòu)有損傷,且承載能力下降較多,不能滿足原設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求,必須對(duì)主梁進(jìn)行加固,提高其承載能力及耐久性。
加固方案主要選擇粘貼碳纖維布,碳纖維布具有強(qiáng)大高,質(zhì)量輕的特點(diǎn),可以在幾乎不增加原有結(jié)構(gòu)恒載的前提下,極大的提高結(jié)構(gòu)承載力,且碳纖維布剛度較小,可以與底部混凝土充分的粘合在一起。
對(duì)于T梁橋、裝配式小箱梁,空心板橋等多主梁結(jié)構(gòu)的橋梁,橫向連接強(qiáng)度直接決定其活載的橫向分布,若橫向連接能力弱,會(huì)造成單板受力,進(jìn)而影響整橋的承載能力,該橋T梁寬2.47米,橫向聯(lián)系主要采用間距為7米的橫隔梁及T梁翼緣板頂部每隔3米焊接連接的Q235鋼板。
普遍存在的病害是橫隔板接頭失效或錯(cuò)位,而T梁翼緣板間無(wú)濕接縫,焊接連接的鋼板剛度小,橫向傳力的作用有限,而雙梁靜載試驗(yàn)的結(jié)果也正好證明橫向聯(lián)系消弱之后,單梁受力的危害,鑒于此,主要從三個(gè)方面增強(qiáng)橋梁的橫向聯(lián)系。
首先,將缺失的橫隔板接頭重新補(bǔ)焊,同時(shí)增大橫隔板的面積,增加其抗剪剛度及橫向連接剛度(詳見(jiàn)圖5);其次,由于原設(shè)計(jì)的T梁翼緣板厚度較薄,為避免損傷原有結(jié)構(gòu),放棄常用的增加濕接縫的處理方案,而采用鋼橫梁連接T梁翼緣板,以增強(qiáng)T梁翼緣板間的橫向聯(lián)系(詳見(jiàn)圖6);最后,重新鋪設(shè)配置雙層鋼筋網(wǎng)片的橋面鋪裝,以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。
圖5 橫隔板加固后效果
圖6 鋼橫梁加固T梁翼緣板
橋墩墩身裂縫遍布,還出現(xiàn)沿墩身的豎向裂縫,且混凝土強(qiáng)度亦不滿足原設(shè)計(jì)要求,為處理裂縫、提高墩柱承載力,采用在墩柱外周包裹鋼護(hù)筒的方案以加大立柱的抗壓截面,提高承載力,墩柱直徑為1.8米,核芯受壓截面直徑為1.7米,鋼護(hù)筒采用厚度為12毫米鋼板卷制而成,直徑為1.9米,鋼護(hù)筒包裹墩柱后核心受壓混凝土面積提高約25%,也即該項(xiàng)措施可提高約25%的承載能力(實(shí)施圖見(jiàn)圖7);除此之外,外包的鋼護(hù)筒可以使墩柱受壓混凝土由單向受壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換成三向受壓應(yīng)力狀態(tài),又大大提高混凝土的抗壓能力,但為使鋼護(hù)筒與原墩柱共同受力,在墩身植入一定數(shù)量的鋼筋,并在隙縫內(nèi)灌注具有微膨脹及自密實(shí)特性的水泥基灌漿料。
圖7 鋼護(hù)筒加固實(shí)施圖
該橋加固完成至今,已正常通車(chē)5年多,每年對(duì)大橋的常規(guī)檢查檢測(cè),指標(biāo)均良好,原加固采用的主梁粘貼碳纖維方案,橫向聯(lián)系加強(qiáng)措施、墩柱圍護(hù)鋼護(hù)筒方案收到了預(yù)期的目的,有效的解決了橋梁病害,提高了結(jié)構(gòu)的承載能力。
但部分設(shè)計(jì)方案在實(shí)施時(shí)發(fā)現(xiàn)還值得進(jìn)一步推敲,如T梁翼緣板間的鋼橫梁加固,理論上通過(guò)增設(shè)一定剛度的鋼橫梁連接T梁兩側(cè)翼緣板,可以提升橫向聯(lián)系能力,然而在施工中螺栓、鋼橫梁、混凝土板連接很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求的理想水平,如何使加固設(shè)計(jì)方案更進(jìn)一步與施工貼近需舊橋加固方案制定者更深入的考慮;鋼護(hù)筒與上部蓋梁、下部的基樁間的細(xì)節(jié)連接如何能夠保證力的有效傳遞也需進(jìn)一步研究。
[1]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 D62-2004)
[2]公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG /T D62-2004)
[3]公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范(JTG /T D62-2004)
[4]賈魯河大橋橋梁檢測(cè)及加固設(shè)計(jì)報(bào)告 武漢大學(xué)