陳鐵軍，卓 靜

（1.四川西南交大土木工程設(shè)計(jì)有限公司南京分公司，江蘇 南京 210012；2.重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

在我國(guó)早期建造的橋梁中，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋是數(shù)量比較多的橋型，由于多種原因[1]，這類橋梁存在較多病害，主要表現(xiàn)在：a）橋梁主體結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、露筋銹蝕、裂縫寬度大于規(guī)范限定值；b）橋梁墩臺(tái)沉陷、滑動(dòng)、變形太大；c）橋面鋪裝層剝離、開(kāi)裂、橋面防水層失效、伸縮縫損壞；d）其他附屬工程病害。對(duì)于橋梁工程的附屬工程病害及一般病害通常僅需有針對(duì)性地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修即可，但主體結(jié)構(gòu)病害如已危及到結(jié)構(gòu)的正常使用，則必須對(duì)其進(jìn)行加固處理。箱梁橋的主體結(jié)構(gòu)開(kāi)裂及承載能力不足通常采用體外預(yù)應(yīng)力索加固法，當(dāng)箱梁高度較低，箱室內(nèi)無(wú)法施工時(shí)，在箱梁的底面或側(cè)面安裝體外預(yù)應(yīng)力索；當(dāng)箱梁高度較大，箱室內(nèi)便于施工時(shí)，在箱室內(nèi)安裝體外預(yù)應(yīng)力索。然而，當(dāng)箱梁橋的跨度不大時(shí)（40～100 m），箱梁高度并不大（低于2.0 m），箱室內(nèi)無(wú)法施工（主要因?yàn)閮艨崭叨容^低），而且箱室本身也比較寬（城市或高速公路的單箱寬度超過(guò)12 m），而形成低高度寬體箱梁橋。這類寬體箱梁橋在側(cè)面布置體外預(yù)應(yīng)力索，存在預(yù)應(yīng)力集中布置，箱梁因剪力滯效應(yīng)[2]，預(yù)應(yīng)力分布不均勻等問(wèn)題。為解決這些困難，文章提出采用分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法，在箱梁底面沿寬度方向均勻布置并粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板，與箱梁形成有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系，不但解決預(yù)應(yīng)力的集中錨固的缺陷，而且避免體外預(yù)應(yīng)力的震動(dòng)和疲勞等問(wèn)題，此外，預(yù)應(yīng)力碳纖維板本身較薄，加固后對(duì)結(jié)構(gòu)的外觀影響非常小，是一種非常適用于低高度寬體箱梁橋的加固方案。為便于說(shuō)明分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法，以南京三汊河大橋加固處治工程為例，對(duì)分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板和體外預(yù)應(yīng)力兩種加固方案進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 工程概況

三汊河大橋位于南京市下關(guān)區(qū)外秦淮河與惠民河交叉處，南北走向，全橋長(zhǎng)435.12 m。其中主橋采用（45+60+45）m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，引橋?yàn)榻M合箱梁橋，橋面總寬24 m，單幅寬12 m。

主橋上部結(jié)構(gòu)采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，墩頂梁高3.8 m，跨中梁高1.8 m，梁高按照拋物線變化。箱梁采用單箱單室截面（如圖1），箱梁頂寬12 m，底寬6.5 m，懸臂長(zhǎng)2.75 m，頂?shù)装搴?5 cm，腹板厚30 cm，墩頂處箱梁腹板漸變?yōu)?0 cm，底板漸變?yōu)?0 cm厚。橋梁施工采用懸臂澆筑法完成。對(duì)跨中截面，箱梁高度與寬度之比為0.15，是典型的低高度寬體箱梁。

圖1 主橋墩頂及跨中橫斷面（單位：cm）

2 主體結(jié)構(gòu)病害

經(jīng)檢測(cè)三汊河大橋主橋邊跨合攏段附近存在大量底板橫向與腹板斜向裂縫，箱梁頂板普遍存在縱向裂縫，主橋施工時(shí)節(jié)段間澆筑質(zhì)量較差，多處接縫處存在高差，高差最大值達(dá)5 cm，預(yù)應(yīng)力筋外露銹蝕，個(gè)別波紋管內(nèi)沒(méi)有灌漿。邊跨底板橫向及腹板斜向裂縫從其分布位置及形態(tài)分析，橫向裂縫表現(xiàn)為彎曲裂縫，腹板斜裂縫表現(xiàn)出較明顯的剪切受力裂縫狀態(tài)，其中個(gè)別裂縫寬度達(dá)到0.15 mm。

根據(jù)城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范裂縫寬度要求，三汊河大橋檢測(cè)評(píng)估等級(jí)為D級(jí)—不合格級(jí)，急需進(jìn)行加固修復(fù)[3]。

3 加固設(shè)計(jì)

3.1 加固前計(jì)算分析

橋梁加固前計(jì)算采用有限元程序進(jìn)行，計(jì)算采用平面桿系理論，主梁三維梁?jiǎn)卧M。為了比較準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的受力情況，各個(gè)構(gòu)件截面特性按照結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸進(jìn)行取值，施工階段按照原設(shè)計(jì)圖中階段進(jìn)行懸澆施工模擬。計(jì)算中荷載主要考慮自重、二期恒載、溫度作用、支座沉降、收縮徐變、預(yù)應(yīng)力以及汽車(chē)作用，其中汽車(chē)作用按照原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)汽-20級(jí)，掛-100級(jí)加載，并考慮汽車(chē)沖擊作用。驗(yàn)算采用的規(guī)范限值按照規(guī)范[4]執(zhí)行。

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算可以得出以下結(jié)果：

由正截面抗彎承載能力包絡(luò)圖（如圖2）可以得出，主橋邊跨合攏段附近正截面抗彎承載力不足，主橋中跨跨中正截面抗彎承載力儲(chǔ)備較少。

圖2 正截面抗彎承載能力包絡(luò)圖及對(duì)應(yīng)內(nèi)力圖

圖3 正截面抗裂驗(yàn)算短期效應(yīng)組合結(jié)果圖形

由正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果（如圖3）可知，短期效應(yīng)下主橋邊跨合攏段附近正截面拉應(yīng)力最大值-3.08 MPa遠(yuǎn)大于A類構(gòu)件限制應(yīng)力-1.68 MPa，正截面抗裂不滿足要求。

驗(yàn)算結(jié)果顯示除以上兩項(xiàng)不滿足規(guī)范要求外，另外還有邊支點(diǎn)附近抗剪承載力及箱室框架頂板抗彎承載力不滿足規(guī)范要求。由此可見(jiàn)，三汊河橋梁主橋的計(jì)算結(jié)果與檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的病害是吻合的，這也說(shuō)明橋梁病害產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)受力不滿足使用要求是緊密相關(guān)的。

3.2 加固設(shè)計(jì)方案

限于篇幅，本文中僅介紹抗彎加固的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于抗彎加固一般采用粘貼碳纖維板（或布）、鋼板或體外預(yù)應(yīng)力加固[5]，本橋梁為大跨徑預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)，除抗彎承載力不滿足外，邊跨合攏段附近截面下緣拉應(yīng)力也超標(biāo)較多。理論分析認(rèn)為，混凝土截面裂縫開(kāi)裂后，開(kāi)裂的截面剛度折減[6]，靠近開(kāi)裂位置的受拉鋼筋會(huì)因水氣的進(jìn)入而逐漸銹蝕，影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性及結(jié)構(gòu)安全。為此，合理的加固方案不僅要提高截面承載能力，還需對(duì)截面邊緣出現(xiàn)的較大拉應(yīng)力進(jìn)行消壓，使得較大寬度（大于0.1 mm）裂縫的開(kāi)展有所限制，較小寬度（小于等于0.1 mm）裂縫適度的閉合?？紤]到普通粘貼加固是一種被動(dòng)加固法，對(duì)既有結(jié)構(gòu)加固，存在二次受力問(wèn)題，雖然對(duì)截面承載能力有一定程度提高，但是無(wú)法有效消壓，對(duì)裂縫的開(kāi)展限制作用有限，更不可能閉合裂縫[7]。經(jīng)分析研究，認(rèn)為采用預(yù)應(yīng)力加固的主動(dòng)加固方法才可以滿足本橋的加固要求[8-9]，提出以下兩種方法。

3.2.1 體外預(yù)應(yīng)力索加固

圖4 體外預(yù)應(yīng)力加固斷面圖

如圖4，本方案對(duì)原橋梁結(jié)構(gòu)抗彎不足的邊跨合攏段附近及中跨跨中附近采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固，橫向在截面兩側(cè)近腹板處對(duì)稱布置兩束15-φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼束，每束預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉力為2 520 kN。由于箱室內(nèi)的高度在1.3 m左右，設(shè)置錨固齒塊及預(yù)應(yīng)力張拉施工均較為困難；若設(shè)置在箱室外，錨固座及預(yù)應(yīng)力索使橋梁外觀不佳；出于對(duì)體外預(yù)應(yīng)力筋加固的受力進(jìn)行對(duì)比分析，暫以在箱室內(nèi)的布置方案為研究對(duì)象。

3.2.2 分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固

圖5 分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固斷面圖

如圖5，通過(guò)在箱梁底面（邊跨合攏段、中跨跨中一定范圍內(nèi)）粘貼多條預(yù)應(yīng)力碳纖維板，碳纖維板厚2 mm，寬 50 mm，每根預(yù)應(yīng)力碳板張拉力為120 kN，總張拉力為2 520 kN。相對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力筋加固（方案一），分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板（方案二）的預(yù)應(yīng)力布置思路是“化整為零”，這樣有很多好處。第一，避免集中的體外預(yù)應(yīng)力在寬箱梁上的剪力滯效應(yīng)[2]，讓預(yù)應(yīng)力在箱梁上分布更合理（下面詳細(xì)計(jì)算）；第二，預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置在箱梁底面，距中性軸較遠(yuǎn)，預(yù)應(yīng)力的抗彎效果更好；第三，預(yù)應(yīng)力碳纖維板與箱梁相黏結(jié)，能緊密結(jié)合，在受力時(shí)共同工作，能抑制既有裂縫的擴(kuò)展，這是體外預(yù)應(yīng)力筋或者無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋所不具有的特點(diǎn)[9]；第四，碳纖維板厚度較薄，施工完成后，對(duì)箱梁的外觀基本不改變，對(duì)城市橋梁景觀來(lái)說(shuō)至關(guān)重要；第五，錨固區(qū)設(shè)置同樣也是“化整為零”，每個(gè)錨固座的設(shè)計(jì)將變得相當(dāng)簡(jiǎn)單，甚至錨固座可以實(shí)現(xiàn)隱形設(shè)計(jì)，施工完成后，同碳纖維板一樣對(duì)橋梁外觀幾乎沒(méi)有改變。

3.3 寬體箱梁加固后橫向應(yīng)力分布計(jì)算

針對(duì)以上兩種預(yù)應(yīng)力加固方案，對(duì)后加預(yù)應(yīng)力在寬體箱梁上的應(yīng)力分布分別做有限元分析對(duì)比計(jì)算。計(jì)算中采用Midas civil軟件中的實(shí)體單元模擬箱梁節(jié)段混凝土，預(yù)應(yīng)力筋體外束及碳纖維板以桁架單元模擬分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖6及圖7。

圖6 體外預(yù)應(yīng)力鋼束加固后正截面壓應(yīng)力（單位：MPa）

圖7 分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后正截面壓應(yīng)力（單位：MPa）

經(jīng)有限元結(jié)構(gòu)分析可知：方案一中體外預(yù)應(yīng)力束加固的箱梁節(jié)段，由于鋼束張拉及錨固力均較大，因此靠近腹板位置處，在預(yù)應(yīng)力作用下，壓應(yīng)力首先由齒塊傳遞至與其相連的腹板及底板，最后才能傳遞至底板中部，底板上產(chǎn)生的應(yīng)力沿橫向是不均勻分布的，呈現(xiàn)中間小兩邊大的狀態(tài)。此處，齒塊位置最大壓應(yīng)力26.31 MPa，底板中間壓應(yīng)力接近0，可見(jiàn)體外束加固后對(duì)底板的消壓作用因箱梁的剪力滯效應(yīng)，預(yù)壓應(yīng)力分布極不均勻，施力處大，遠(yuǎn)離處小，受力較不合理。方案二中分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的梁段，由于碳纖維板直接布置于箱梁底板，預(yù)應(yīng)力作用下，壓應(yīng)力通過(guò)錨具及黏結(jié)力直接作用于底板，無(wú)剪力滯效應(yīng)[2]，分析結(jié)果顯示底板壓應(yīng)力為4.99 MPa，且壓應(yīng)力沿底板分布均勻，可見(jiàn)分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固對(duì)底板的消壓作用相對(duì)而言是均勻且顯著的。

基于以上分析，并考慮兩種預(yù)應(yīng)力加固方法的施工難度及耐久性[8-10]、經(jīng)濟(jì)性，最終采用分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方案作為加固設(shè)計(jì)方案。

3.4 加固后橋梁整體效果分析

對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行模擬分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果（如圖8、圖9）顯示經(jīng)分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后橋梁抗彎承載力及正截面抗裂能力均有大幅提高。表明該橋采用分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方案可以達(dá)到預(yù)期加固效果。

圖8 加固前后結(jié)構(gòu)抗力對(duì)比（單位：kN·m）

圖9 加固前后結(jié)構(gòu)短期作用抗裂對(duì)比（單位：MPa）

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)南京市三汊河大橋的加固設(shè)計(jì)的對(duì)比研究，可以得出：對(duì)于低高度寬體箱梁橋結(jié)構(gòu)因抗彎承載力不足或裂縫寬度較大等病害，采用分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固是一種較體外預(yù)應(yīng)力筋加固更合理可行的方法，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行條件下應(yīng)優(yōu)先采用。