王 昆

(平頂山市公路交通勘察設(shè)計(jì)院， 河南 平頂山 467000)

裝配式預(yù)應(yīng)力 T 梁特大橋加固設(shè)計(jì)研究

王 昆

(平頂山市公路交通勘察設(shè)計(jì)院， 河南 平頂山 467000)

通過對(duì)某公路橋的加固設(shè)計(jì)工作，結(jié)合有限元程序承載力驗(yàn)算結(jié)果，綜合歸納出針對(duì)裝配式T梁橋主梁及其下部結(jié)構(gòu)幾種合理加固方案。大橋經(jīng)加固后結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)有部頒規(guī)范及條文限值，結(jié)構(gòu)承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明加固后橋梁滿足結(jié)構(gòu)繼續(xù)服務(wù)的功能定位，既保證了交通也節(jié)約了資源，在今后工程中有一定借鑒作用。

梁式橋； 加固設(shè)計(jì)； 有限元； 承載力試驗(yàn)

0 前言

橋梁是交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)中的跨越構(gòu)造物，橋梁結(jié)構(gòu)的功能優(yōu)劣直接決定了路線整體的服務(wù)水平和能力。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展推動(dòng)的交通運(yùn)輸行業(yè)一次又一次的變革，交通需求的日益增大在不斷增多的行車密度及運(yùn)輸噸位體現(xiàn)的淋漓盡致。橋梁結(jié)構(gòu)在其全壽命服役階段難以滿足逐漸增長(zhǎng)的交通需求，不少橋梁在建成10余年內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的混凝土開裂、支座脫空等損壞[1-4]。當(dāng)評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)難以保證后階段的正常功能需求時(shí)，必須對(duì)其拆除新建或加固維修。而橋梁加固既能實(shí)現(xiàn)在不中斷交通的前提下有效提高結(jié)構(gòu)承載力，還能節(jié)約大量的資源和人力。因而，舊橋加固技術(shù)越來越得到廣泛的應(yīng)用。

1 工程概況

某高速公路特大橋于90年代建成通車，為裝配式后張預(yù)應(yīng)力梁式橋。單跨跨徑有20、30、40 m不等，以150～250 m為一聯(lián)，全橋共計(jì)20余聯(lián)。單幅橋面橫向布置有7片主梁。下部結(jié)構(gòu)為柱式墩接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，首跨和尾跨橋臺(tái)為框架式橋臺(tái)，樁基礎(chǔ)。

根據(jù)對(duì)舊橋的結(jié)構(gòu)評(píng)定，大橋主梁混凝土保護(hù)層薄弱，碳化深度過大，部分梁片底板出現(xiàn)不同程度的混凝土剝落和箍筋外露。梁體裂縫分布多而以正截面裂縫為主。而在蓋梁、橫隔板、樁頂?shù)榷嗵幰矙z查到較為集中的裂縫分布情況，支座脫空，橡膠老化現(xiàn)象明顯，結(jié)構(gòu)傳力體系受損嚴(yán)重。但是，檢測(cè)結(jié)果中并未發(fā)現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)承載力的較大貫穿型裂縫，考慮到交通需求，選擇對(duì)舊橋的加固工作以保證結(jié)構(gòu)的繼續(xù)服役。

2 病害分析

2.1 車輛荷載

大橋至今已連續(xù)通車30余年，期間交通荷載的增長(zhǎng)是結(jié)構(gòu)發(fā)生病害的主要原因。經(jīng)調(diào)查，2012年9月份日平均交通量達(dá)45 391輛。而對(duì)于部頒《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 001-97)中對(duì)一級(jí)公路橋梁的交通量服務(wù)水平的規(guī)定，一級(jí)橋梁能適應(yīng)各種汽車折合小客車的年平均日交通量(AADT)為15 000～30 000輛次。收費(fèi)期結(jié)束前的交通量則已經(jīng)超出原設(shè)計(jì)交通梁的59.6%，取消收費(fèi)后的交通量進(jìn)一步增加?，F(xiàn)有交通量水平已達(dá)到公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)6車道高速公路所能適應(yīng)的AADT定位(45 000～80 000)。

由此可見，大橋現(xiàn)有交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)所選取的交通標(biāo)準(zhǔn)。此外，掛車等載重車輛的軸載的超限成為了影響結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役的控制性難題。

2.2 主梁病害

主梁的病害出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)耐久性和結(jié)構(gòu)承載力的兩個(gè)方面。因早期混凝土機(jī)械化施工水平和混凝土制造工藝較為薄弱，施工質(zhì)量導(dǎo)致的混凝土保護(hù)層厚度不均勻和環(huán)境穩(wěn)定性較差的現(xiàn)象極為明顯。環(huán)境的長(zhǎng)期侵蝕直接導(dǎo)致的混凝土碳化引起混凝土的剝落和鋼筋的銹脹現(xiàn)象。而對(duì)于后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼筋或者錨具銹蝕的發(fā)生會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力帶來毀滅性破壞。而在跨中位置附近，T梁馬蹄及腹板產(chǎn)生較為密集的豎向、斜向裂縫及沿?cái)嗝尕炌芽p。此類裂縫主要成因是梁體在荷載作用下承受較大彎拉效應(yīng)，截面受拉區(qū)混凝土主拉應(yīng)力超過混凝土抗拉允許值，進(jìn)而出現(xiàn)可視裂縫的擴(kuò)展。而在主梁支點(diǎn)附近，斜向裂縫成為梁體腹板主要裂縫類型分布類型。簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)在支承位置附近主梁承受較大剪力作用，腹板抗剪鋼筋所提供的抗剪承載力低于主拉應(yīng)力時(shí)，亦會(huì)導(dǎo)致斜向剪裂縫的產(chǎn)生和沿45°方向發(fā)展。

2.3 蓋梁病害

蓋梁的病害同主梁，亦分為耐久性損壞及承載力裂縫。承載力裂縫以豎直裂縫和斜向裂縫為主。成因同主梁，故不在贅敘。

2.4 支座病害

支座因年限過久而發(fā)生橡膠老化和變形能力降低的現(xiàn)象，承壓鋼板均出現(xiàn)不同程度的銹蝕。

3 加固設(shè)計(jì)

考慮到原有T梁的結(jié)構(gòu)可靠度系數(shù)較低，結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系偏弱，針對(duì)主梁的加固方案選取為通過增大截面法提高結(jié)構(gòu)承載力的加固方案。除此之外，從以下三個(gè)方面提高梁片間的橫向聯(lián)系和上部結(jié)構(gòu)整體承載力： ①對(duì)尚未出現(xiàn)病害但未來可能出現(xiàn)的梁片均進(jìn)行加固，不留下新的薄弱點(diǎn)； ②對(duì)原有T梁的橫隔板進(jìn)行加厚或通過粘貼鋼板，從而提高結(jié)構(gòu)橫橋向剛度； ③鑿除原有橋面鋪裝層并重新對(duì)接合面鑿毛，梁頂面重新加鋪雙層鋼筋網(wǎng)片。

根據(jù)橋梁兩側(cè)工業(yè)及物流分布調(diào)查，結(jié)合交通荷載統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，橋梁左幅通行車輛軸載較右幅大。故對(duì)右幅4片T梁全部進(jìn)行加固，而左幅未出現(xiàn)或?qū)沓霈F(xiàn)裂縫概率較小的2片不進(jìn)行加固作業(yè)。主梁底板和腹板的加固原則為封閉裂縫，并在外側(cè)粘貼鋼板進(jìn)行加固。而對(duì)于主梁腹板可視裂縫寬度較大的梁片，采用增加體外預(yù)應(yīng)力束的方式進(jìn)行加固。加固方案圖如圖1～圖4中所示。

圖1 底板粘貼鋼板加固示意圖

圖2 腹板粘貼鋼板加固示意圖

圖3 連續(xù)段梁段負(fù)彎矩處粘貼鋼板示意圖

圖4 體外預(yù)應(yīng)力束加固示意圖

因橋梁橫隔板截面較薄，橫向剛度小，全橋承載力損壞呈現(xiàn)單梁裂縫集中現(xiàn)象。橫向梁片間的裂縫數(shù)量分布相差較大。故加固設(shè)計(jì)中通過對(duì)全橋所有橫隔板進(jìn)行增大剛度法進(jìn)行加固，以增大橫隔板截面或者粘貼鋼板加固等方式加強(qiáng)橫向聯(lián)系梁剛度，從而避免發(fā)生單梁受力現(xiàn)象。鋼板材質(zhì)采用6 mm厚Q345qb橋梁鋼結(jié)構(gòu)材料，外露按施工規(guī)范進(jìn)行防腐涂裝。并對(duì)原有設(shè)計(jì)中的T 梁橫隔板中鏤空的位置植入鋼筋，澆筑結(jié)構(gòu)混凝土。2種橫隔板加固方案示意圖如圖5、圖6中所示。

圖5 橫隔板粘貼鋼板示意圖

圖6 澆筑鏤空區(qū)混凝土示意圖

下部結(jié)構(gòu)蓋梁檢測(cè)結(jié)果中所發(fā)現(xiàn)的裂縫和鋼筋銹脹現(xiàn)象，其成因同主梁病害，故采用與主梁加固原理同一的加固方式對(duì)蓋梁進(jìn)行加固處理。即對(duì)箍筋出現(xiàn)嚴(yán)重銹脹、混凝土保護(hù)層剝落的部位的混凝土鑿除，再對(duì)已發(fā)生銹脹鋼筋進(jìn)行除銹處理，對(duì)因

鋼筋銹蝕嚴(yán)重的部位對(duì)鋼筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，最后在外層澆筑環(huán)氧混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。對(duì)因承載能力儲(chǔ)備不足而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫的蓋梁進(jìn)行粘貼鋼板的方式進(jìn)行加固。

4 加固主梁承載能力驗(yàn)算

通過匯編有限元程序，對(duì)組合截面主梁的承載能力與加固前原截面主梁承載能力進(jìn)行驗(yàn)算對(duì)比。通過比較兩者在固定工況下的撓度、上下緣應(yīng)力值，并結(jié)合2種主梁的正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力的計(jì)算結(jié)果，對(duì)截面在加固后的工作能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。計(jì)算值匯總于表1中截面承載力驗(yàn)算表中。

表1 截面承載力驗(yàn)算結(jié)果表類別跨中正截面抗彎支座位置斜截面抗剪設(shè)計(jì)截面/(N·m)組合截面/(N·m)承載力提高值/%設(shè)計(jì)截面/N組合截面/N承載力提高值/%40mT梁中梁1412516241149850975962169720mT梁中梁442754792376147217732045

40 m T梁經(jīng)過腹板、底板粘貼鋼板以及部分梁段增加體外預(yù)應(yīng)力鋼束加固后，中梁跨中截面抗彎承載力抗力值提高了14.98%。值得注意的是經(jīng)體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的方式進(jìn)行加固后，梁的正截面抗彎抗力值較其他加固后主梁而言并未有較大提升，但由于體外索的存在，結(jié)構(gòu)的受力性能和荷載抗力體系得到極為明顯的改善，中梁的跨中彎矩值有效降低了5.07%。而增大截面法對(duì)結(jié)構(gòu)加固后梁的斜截面抗剪抗力效應(yīng)值最大提高20.45%，40 m T梁斜截面抗剪能力計(jì)算值有效提高16.97%。綜合計(jì)算結(jié)果，加固后組合截面抗力值R與荷載效應(yīng)計(jì)算彎矩值Mj對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無論在正截面抗彎還是斜截面抗剪，加固設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗荷能力存在理論上的提高效應(yīng)，結(jié)構(gòu)承載力各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)及《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)中的條文規(guī)定[6-8]。

對(duì)于結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的跨中撓度值由原有加固前的6.19 mm對(duì)應(yīng)減少至3.78 mm，綜合評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)加固后的組合截面有效地參與到結(jié)構(gòu)整體抗荷工作中來，檢測(cè)結(jié)構(gòu)正常使用狀況下的各項(xiàng)指標(biāo)均低于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)及《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)中的條文限值。

5 結(jié)語

某公路特大橋的加固設(shè)計(jì)工作基于大橋原有存檔的設(shè)計(jì)文件、竣工資料及結(jié)構(gòu)后期養(yǎng)護(hù)期間的有關(guān)單位對(duì)結(jié)構(gòu)的檢查、檢測(cè)結(jié)果、試驗(yàn)報(bào)告以及現(xiàn)階段的評(píng)估報(bào)告，參考相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。后期通過有限元法對(duì)組合截面承載能力進(jìn)行驗(yàn)算加固前后的主梁承載能力進(jìn)行對(duì)比和校核，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有效判定加固后結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定提升效果進(jìn)行判定。經(jīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)鑒定和業(yè)主方驗(yàn)收，大橋加固設(shè)計(jì)后符合現(xiàn)階段交通量需求和交通功能定位，加固工作合理且有效。

橋梁結(jié)構(gòu)加固理論和技術(shù)研究是目前橋梁建設(shè)中集結(jié)構(gòu)全壽命服役理論、結(jié)構(gòu)加固工藝及加固工作創(chuàng)新于一體的研究領(lǐng)域。合理的選擇加固方案是保證既有橋梁結(jié)構(gòu)在擁有足夠可靠度的前提下繼續(xù)滿足交通需求、保證結(jié)構(gòu)加固后質(zhì)量要求、減少施工建設(shè)成本及合理利用有限資源的可持續(xù)大小前提。文章結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)服役30余年的大橋T梁進(jìn)行多方案加固及橫隔板和蓋梁的加固設(shè)計(jì)工作，有效地提高了結(jié)構(gòu)可靠度和繼續(xù)服役年限，成功解決了現(xiàn)有橋梁免除拆除重建而繼續(xù)適用的目的，減少了交通管制時(shí)間，有效地節(jié)約了成本和工期。文中的加固方案可為今后同類工程建設(shè)項(xiàng)目加固設(shè)計(jì)工作提供參考和借鑒。

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