賈尚林

（北京國(guó)道通公路設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，北京 100053）

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，公路上交通量逐年遞增，車輛重載、超載現(xiàn)象也逐年增多，越來越多的橋梁設(shè)計(jì)荷載明顯偏低，已不能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸發(fā)展的需要，甚至對(duì)行車安全構(gòu)成了隱患。為了改善和提高舊橋的承載和通行能力，保證其正常運(yùn)營(yíng)，對(duì)危、舊橋梁進(jìn)行維修加固及改造，是非常必要和緊迫的。從一實(shí)例工程入手，介紹了目前常用的橋梁加固方法，并針對(duì)此實(shí)例工程，提出3種主梁加固方案并進(jìn)行比選，為今后設(shè)計(jì)人員進(jìn)行橋梁加固提供了更新穎的加固方案，拓寬了橋梁加固的設(shè)計(jì)思路。

1 工程概述

興壽橋位于昌平區(qū)安四路K31+060，跨越京密引水渠，大樁號(hào)側(cè)橋頭與現(xiàn)況懷昌路平交。該橋修建于1991年，上部結(jié)構(gòu)為3×17 m普通鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁橋，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁全長(zhǎng)51.824 m，全寬15 m，橋梁與河道斜交，斜交角度為25°。該橋設(shè)計(jì)水位為52.80 m，設(shè)計(jì)流量為40 m3/s?，F(xiàn)況橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí)，掛車-100，人群荷載為3.0 kN/m2。

2 橋梁病害及原因分析

2.1 橋梁上、下部結(jié)構(gòu)主要病害

全橋共27片主梁，其中斜向裂縫共209條，總長(zhǎng)約105 m，最寬0.26 mm，最深99.8 mm，豎向裂縫共599條，總長(zhǎng)約300 m，最寬0.22 mm，大多出現(xiàn)在腹板底部、跨中位置；共18處銹脹，其中11處露筋；5處縱向開裂；5處破損，其中3處露筋；墩、臺(tái)蓋梁豎向裂縫共75條，總長(zhǎng)約35 m，最寬0.22 mm。

2.2 橋面系破損狀況

橋面共8條縱向裂縫，其中2條貫通于橋面，橋頭搭板3處開裂，防撞護(hù)欄3處破損、開焊。

2.3 橋梁病害成因分析

a）現(xiàn)階段我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅猛，車輛重載、超載現(xiàn)象逐年增多，橋梁設(shè)計(jì)荷載偏低，已不能適應(yīng)現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)發(fā)展及交通運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

b）橋面鋪裝破損、橋面排水不暢導(dǎo)致橋面防水功能失效，混凝土受雨污水侵蝕、脹裂、剝落，鋼筋銹蝕。

c）舊橋主梁為普通鋼筋混凝土T梁，梁寬1.6 m，梁高1.0 m，腹板寬度僅為0.2 m，主梁剛度較小，且主梁翼板偏薄，整體橫向聯(lián)系偏弱，易形成單梁受力，梁下出現(xiàn)較多受力裂縫。

d）對(duì)于橋梁暴露的問題，沒有及時(shí)針對(duì)橋梁病害進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修及處理，日積月累致使問題嚴(yán)重化。

3 舊橋主梁承載力驗(yàn)算分析

舊橋中、邊梁斷面形式一致，均為梁寬1.6 m，梁高1.0 m，腹板寬度0.2 m的普通鋼筋混凝土T梁，按照1989年版《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行驗(yàn)算，該橋的抗彎及抗剪能力如表1所示。

表1 按照汽車-20級(jí)進(jìn)行主梁承載能力驗(yàn)算

由表1可知，汽車-20級(jí)荷載等級(jí)下，中、邊梁抗彎能力滿足承載力要求，中、邊梁抗剪能力基本滿足承載力要求。

若按《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）進(jìn)行驗(yàn)算[1]，該橋的抗彎及抗剪能力如表2及表3所示。

表2 按照公路-II級(jí)進(jìn)行主梁承載能力驗(yàn)算

表3 按照公路-I級(jí)進(jìn)行主梁承載能力驗(yàn)算

如表2及表3所示，公路-II級(jí)荷載等級(jí)下，經(jīng)驗(yàn)算中、邊梁抗彎及抗剪能力均滿足承載力要求，裂縫寬度為0.165 mm，滿足規(guī)范要求。公路-I級(jí)荷載等級(jí)下，經(jīng)驗(yàn)算中、邊梁抗彎及抗剪能力均不滿足承載力要求，裂縫寬度為0.251 mm，不滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過3種荷載等級(jí)下主梁承載力的驗(yàn)算分析，我們得知現(xiàn)況橋梁主梁滿足現(xiàn)階段公路-II級(jí)荷載等級(jí)，但不滿足公路-I級(jí)荷載等級(jí)要求。不滿足公路提級(jí)要求，需對(duì)主梁進(jìn)行加固，提高其承載、通行能力。

4 橋梁加固方案及比選

4.1 橋梁加固方案設(shè)計(jì)

本橋上跨京密引水渠，由于京密引水渠為一級(jí)飲用水源，橋梁加固必須采取對(duì)京密引水渠的水源保護(hù)，不適合采用混凝土局部置換法及增大截面法進(jìn)行主梁加固，分別采用外粘碳纖維復(fù)合材料、外粘鋼板以及預(yù)張緊鋼絲繩網(wǎng)片—噴射聚合物砂漿外加層等3種復(fù)合截面加固法方案進(jìn)行設(shè)計(jì)比選。

4.1.1 外粘碳纖維復(fù)合材料

碳纖維材料加固設(shè)計(jì)計(jì)算中，采用如下基本假定：

a）受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計(jì)。

b）梁受彎時(shí)，混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合平截面假定。

c）碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：δcf=Ecf×εcf，且 ε＜0.01。

d）當(dāng)考慮二次受力影響時(shí)，應(yīng)按構(gòu)件加固前的初始受力情況，確定碳纖維復(fù)合材料的滯后應(yīng)變。

e）由于外貼的碳纖維布很薄，近似認(rèn)為CFRP布中心離梁頂?shù)木嚯x與梁高相等。

f）在到達(dá)抗彎承載力極限狀態(tài)前，加固材料與混凝土之間不致出現(xiàn)黏結(jié)剝落破壞。

本次對(duì)主梁進(jìn)行加固所采用的碳纖維布規(guī)格見表4。

表4 碳纖維布（CFRP）性能指標(biāo)

粘貼碳纖維布加固橫斷面如圖1所示。

圖1 碳纖維布粘貼加固橫斷面（單位：cm）

經(jīng)計(jì)算選用3層0.167 mm厚190 mm寬的高強(qiáng)I級(jí)碳纖維布，加固后主梁抗彎承載能力提高約2.18%，滿足公路-I級(jí)荷載等級(jí)計(jì)算要求。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 碳纖維布（CFRP）加固結(jié)果

4.1.2 外粘鋼板

本次設(shè)計(jì)采用5 mm厚Q235鋼板，粘貼鋼板加固橫斷面如圖2所示。

圖2 粘貼鋼板加固橫斷面（單位：cm）

經(jīng)計(jì)算選用1層5 mm厚Q235鋼板，鋼板寬度計(jì)算值為111 mm，加固后主梁抗彎承載能力提高約5.23%，滿足公路-I級(jí)荷載等級(jí)計(jì)算要求。計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 粘貼鋼板加固結(jié)果

4.1.3 預(yù)張緊鋼絲繩網(wǎng)片—噴射聚合物砂漿外加層

預(yù)張緊鋼絲繩網(wǎng)片—噴射聚合物砂漿外加層的加固方法是近年引進(jìn)國(guó)內(nèi)的加固技術(shù)，它不同于一般鋼絲繩網(wǎng)片加固的方法，它是把預(yù)張拉的高強(qiáng)度鋼絲繩網(wǎng)片配合專用固定板、化學(xué)錨栓及繩端固定結(jié)設(shè)置于混凝土結(jié)構(gòu)受力薄弱部位，噴射聚合物砂漿，使之與混凝土既有結(jié)構(gòu)形成整體受力，提高混凝土構(gòu)件的抗彎及抗剪能力，提高構(gòu)件的整體剛度。

預(yù)張緊系統(tǒng)的基本組成為：固定板、繩端固定結(jié)、專用化學(xué)錨栓、鋼絲繩網(wǎng)片以及聚合物砂漿外加層。如圖3所示。

圖3 預(yù)張緊系統(tǒng)基本組成

采用預(yù)張緊高強(qiáng)度鋼絲繩網(wǎng)片—聚合物砂漿外加層對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)，除遵守現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2002）正截面承載力計(jì)算的基本假定外，尚應(yīng)遵守下列規(guī)定：a）構(gòu)件達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)時(shí)，鋼絲繩網(wǎng)片的拉應(yīng)變?chǔ)舝w可按截面應(yīng)變保持平面的假定確定；b）鋼絲繩網(wǎng)片應(yīng)力可近似取等于 δrw=Erw×εrw；c）當(dāng)考慮二次受力影響時(shí)，應(yīng)按構(gòu)件加固前的初始受力情況，確定鋼絲繩網(wǎng)片的滯后應(yīng)變；d）在到達(dá)受彎承載能力極限狀態(tài)前，鋼絲繩網(wǎng)片與混凝土之間不出現(xiàn)黏結(jié)剝離破壞；e）對(duì)梁的不同外加層構(gòu)造，統(tǒng)一采用僅按梁的受拉區(qū)底面有外加層的計(jì)算簡(jiǎn)圖，但在驗(yàn)算梁的正截面承載力時(shí)，應(yīng)引入修正系數(shù)考慮側(cè)面圍套內(nèi)鋼絲繩網(wǎng)片對(duì)承載力提高的作用。

本次設(shè)計(jì)采用6×7+IWS高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲繩，其規(guī)格見表7。

表7 6×7+IWS高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲繩性能指標(biāo)

計(jì)算中鋼絲繩網(wǎng)片按體外預(yù)應(yīng)力考慮，梁底布設(shè)單層6根6×7+IWS高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲繩，間距30 mm，張拉控制應(yīng)力按30%抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值考慮，梁底噴射高強(qiáng)聚合物砂漿，厚度為25 mm，其加固橫斷面如圖4所示。

圖4 鋼絲繩加固橫斷面（單位：cm）

經(jīng)計(jì)算梁底布設(shè)單層6根6×7+IWS高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲繩，噴射高強(qiáng)聚合物砂漿，厚度為25 mm，加固后主梁抗彎承載能力提高約12.9%，滿足公路-I級(jí)荷載等級(jí)計(jì)算要求。計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 鋼絲繩加固結(jié)果

4.2 橋梁加固方案比選

3種加固方案加固后都能滿足公路-I級(jí)荷載等級(jí)要求，其中碳纖維加固（單層）每平米造價(jià)約1 000元、粘鋼加固（單層）每平米造價(jià)約950元、鋼絲繩加固（單層）每平米造價(jià)約1 100元。粘鋼與粘碳加固為目前常用的橋梁加固方法，施工工藝比較成熟，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，施工中均需采用結(jié)構(gòu)膠，這類加固方法對(duì)結(jié)構(gòu)膠品質(zhì)要求較高，并對(duì)混凝土構(gòu)件表面黏結(jié)強(qiáng)度要求較高，還對(duì)溫度、濕度均有一定要求，耐久年限不好確定，此外碳纖維彈性模量大，粘碳加固與混凝土構(gòu)件共同工作性能較差，粘鋼加固幾年后或者十幾年后鋼板易與混凝土剝離破壞，加固失效，且露天環(huán)境中橋梁的混凝土易發(fā)生泛堿，致使加固失效。鋼絲繩加固為國(guó)內(nèi)較新穎的加固技術(shù)，施工中需要專業(yè)人士進(jìn)行技術(shù)支持，但避免了一些粘鋼與粘碳加固的缺點(diǎn)，高強(qiáng)聚合物砂漿本身強(qiáng)度高，耐溫耐濕性好，又具有較好的防水性，能有效防止加固層與原構(gòu)件接觸面的泛堿、碳化等，防止加固失效。

5 結(jié)束語

鋼絲繩加固效果顯著，承載能力提高較大，造價(jià)經(jīng)濟(jì)、合理，并有成熟的施工技術(shù)及配套施工產(chǎn)品做支持，具有廣泛的應(yīng)用前景，希望在大量應(yīng)用實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，使這種加固技術(shù)更加優(yōu)化，在橋梁加固領(lǐng)域發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)與作用。

參考文獻(xiàn)：及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土