陽 琴

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院集團有限公司，福州 350108)

經(jīng)濟的快速發(fā)展對交通通行能力提出了更高的要求。 早期建造的橋梁因其設(shè)計荷載等級偏低現(xiàn)已很難適應(yīng)交通量快速增長的要求。 本著工程結(jié)構(gòu)綠色可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計理念，在充分利用已有結(jié)構(gòu)承載能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合先進有效的加固改造技術(shù)， 舊橋的加固改造已成為解決現(xiàn)有交通瓶頸的重要手段。

作為橋梁的重要組成構(gòu)件， 蓋梁即是承重構(gòu)件同時又承擔(dān)著荷載傳遞的任務(wù)。 交通量的增加、 上部結(jié)構(gòu)的改造等情況都會影響蓋梁的受力性能， 甚至危害到上部結(jié)構(gòu)安全，因此蓋梁加固就顯得十分重要。目前對蓋梁加固措施主要有：粘貼纖維復(fù)合材料加固法[1-2]；粘貼鋼板法[3]；增大截面加固法[4-5]；施加體外預(yù)應(yīng)力法[6-7]；增加受力構(gòu)件法[8]等。 粘貼纖維復(fù)合材料加固法與其他加固技術(shù)相比具有自重小、施工周期短、耐久性好的優(yōu)點，但是纖維復(fù)合材料本身缺乏延性， 加固方案的選擇還應(yīng)該考慮其脆性的特點； 粘貼鋼板法能夠提高原有構(gòu)件的剛度和承載力， 并使裂縫的發(fā)展得到約束， 施工工藝簡單快捷， 但是需要注意的是鋼板要在原構(gòu)件鋼筋屈服才能發(fā)揮作用， 因此該方法是一種被動的方法；增大截面法具有很強的適用性， 原構(gòu)件的強度與剛度、穩(wěn)定性、延性等性能可得到良好改善，但其缺點表現(xiàn)為施工周期長， 會對交通產(chǎn)生較大影響； 施加體外預(yù)應(yīng)力法通過對原有截面消減荷載， 能使原有構(gòu)件的承載力顯著提高， 但該方法受原構(gòu)件形式、 錨固方式及施工條件的影響較大； 增加受力構(gòu)件法中最常用的是對原構(gòu)件增設(shè)支點來改變原有構(gòu)件的受力方式，該方法可改善構(gòu)件薄弱處的受力， 其缺點是對于有嚴(yán)格的凈空要求的結(jié)構(gòu)不適用。 由于橋梁結(jié)構(gòu)本身及建造環(huán)境的差異性， 不同加固方法的加固效果存在差異，根據(jù)實際橋梁的情況選擇合適的蓋梁加固方法尤為重要。

本文以福州市琴亭高架橋車道改造工程為例， 結(jié)合橋梁實際使用性能和現(xiàn)場交通狀況， 擬采用增加受力構(gòu)件改變受力體系和粘貼鋼板的綜合加固設(shè)計法， 即采用蓋梁底部全長度壓力注膠法粘貼鋼板結(jié)合墩柱兩側(cè)增設(shè)鋼板托架形成對蓋梁的有效支承(同時大大減少蓋梁懸臂長度)的加固方案，借助數(shù)值分析方法計算蓋梁的內(nèi)力效應(yīng)，對加固前后蓋梁的承載力進行分析，進而驗證加固方案的有效性。

1 工程概況

福州市琴亭高架橋位于福州五四路至秀峰路間，2000 年竣工通車。全橋共11 聯(lián)56 孔，橋?qū)?5 m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑20～25 m，含引道全長1455.88 m，雙向四車道。 上部結(jié)構(gòu)為B 類部分預(yù)應(yīng)力混凝土工字形簡支梁； 下部結(jié)構(gòu)采用三樁柱排架墩接蓋梁形式，蓋梁采用隱式蓋梁，蓋梁高度為123 cm 或100 cm，寬度均為170 cm。 設(shè)計荷載為：汽-超20。 設(shè)計行車速度為60 km/h。 本橋作為福州北向二環(huán)至三環(huán)的重要節(jié)點，交通繁忙而且重型車輛較多。

2016 年二環(huán)五四改造工程為福州二環(huán)至三環(huán)快速化關(guān)鍵工程，而琴亭高架橋改造則為重要節(jié)點，高架橋橋面由雙向4 車道改造為雙向6 車道， 即車道布置形式發(fā)生改變，拆除現(xiàn)有兩側(cè)人行道和非機動車道，改造成6 車道。 改造后橋面橫向布置為：0.5 m(防撞欄桿)+11.75 m(機動車道)+0.5 m(中央分隔欄)+11.75 m(機動車道)+0.5 m(防撞欄桿)；車道改造前后橋面橫向布置情況分別見圖1。

圖1 車道改造前后布置圖

車道布置改變勢必改變?nèi)珮虻氖芰η闆r， 尤其是橋墩蓋梁。由于原蓋梁懸臂較長，汽車偏載作用下會導(dǎo)致懸臂根部截面受力遠大于原設(shè)計效應(yīng)，威脅到橋梁安全，因此有必要依據(jù)改造后的車道分布對現(xiàn)有蓋梁進行加固，從而滿足承載力要求，確保橋梁結(jié)構(gòu)運營安全。

2 蓋梁加固方案

由于本橋使用年限較久， 且加固期間必須保證交通通暢，因此對加固方案提出了較為嚴(yán)格的要求。基于確保橋梁安全的原則，較少影響現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，同時本蓋梁為隱式蓋梁，加固面有限，僅蓋梁底面可以加固，橋下有較大加固空間， 綜合上述因素較為適宜在梁底采用增加受力構(gòu)件法加固， 本次蓋梁加固設(shè)計擬采用增加鋼板托架受力構(gòu)件的方式，為保證受力托架可靠連接，在蓋梁底面采用粘鋼， 鋼板托架與墩柱之間采用環(huán)形抱箍加壓力注漿等連接方式。 下面為具體的加固方案。

2.1 裂縫處理

現(xiàn)場調(diào)查確認(rèn)蓋梁外觀缺陷， 對已發(fā)現(xiàn)的裂縫采用裂縫修補膠進行封閉。修補方法：對于裂縫寬度＜0.15 mm的采用裂縫修補膠表面封閉法進行封閉； 對于裂縫寬度≥0.15 mm 的采用壓力灌注法進行封閉處理。

2.2 蓋梁底壓力注膠法粘貼鋼板

蓋梁底粘貼16 mm 厚Q345B 型鋼板，并在相應(yīng)位置鉆孔預(yù)埋膠粘模擴底錨栓。鉆孔前需用鋼筋探測儀，掃描標(biāo)示蓋梁內(nèi)鋼筋位置，鉆孔埋設(shè)錨栓應(yīng)避開鋼筋位置，同時在鋼板相應(yīng)的位置鉆孔。 安裝錨栓固定鋼板在蓋梁底面， 鋼板與蓋梁混凝土表面間采用壓力注膠法灌注結(jié)構(gòu)膠液粘結(jié)，對蓋梁底全梁粘貼鋼板(圖2～3)。

2.3 蓋梁底架設(shè)鋼板托架

鋼板托架采用20 mm 厚Q345B 型受力鋼板與10 mm厚連接鋼板焊接而成，長度為300 cm，寬度為102 cm，高度為50～100 cm。 托架鋼板應(yīng)提前加工。 安裝托架時先對蓋梁端施加400 kN 反壓力，再安裝固定鋼板托架，托架與蓋梁底粘貼鋼板、墩柱外包鋼板焊接，該處焊縫采用熔透焊，墩柱外包鋼板采用兩片鋼板環(huán)形抱箍，兩片鋼板采用高強螺栓連接，為增加環(huán)形鋼板與墩柱的可靠連接，之間采用壓力注漿。 所有焊縫質(zhì)量合格方可卸去反壓力。

圖2 加固構(gòu)造立面

圖3 加固構(gòu)造側(cè)面

2.4 防銹漆

所有加固施工完成后， 應(yīng)在加固鋼材的表面刷涂防銹漆。

3 加固蓋梁受力分析

本文采用Midas Civil 有限元分析軟件就加固前后蓋梁的受力情況進行數(shù)值模擬分析。 加固前蓋梁結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 未加固蓋梁受力圖

3.1 加固后蓋梁數(shù)值分析模型的建立

加固后蓋梁按連續(xù)梁計算。 數(shù)值分析模型中蓋梁與鋼結(jié)構(gòu)支承梁均采用梁單元模擬； 鋼結(jié)構(gòu)支撐梁根部固結(jié)，蓋梁懸臂與鋼結(jié)構(gòu)支撐梁通過只受壓彈性連接模擬；將最不利車輛荷載效應(yīng)等效為集中力作用于蓋梁懸臂段，同時考慮鋼支撐荷載效應(yīng)(如圖5 所示)，經(jīng)計算可知力臂長度為2.1 m。 數(shù)值分析模型如圖6 所示。 通過有限元分析模型計算可得加固后蓋梁的最不利受力位置(邊墩截面1-1 和鋼支撐點2-2)的截面內(nèi)力。

圖5 鋼支撐荷載效應(yīng)圖

圖6 加固后組合梁計算模型

3.2 加固后蓋梁受力性能結(jié)果分析

根據(jù)蓋梁受力特點， 加固前邊墩墩頂對應(yīng)的蓋梁截面(1-1)內(nèi)力最大，加固前后需要對其進行承載力驗算；考慮到加固時施加的400 kN 反壓力的作用效果與上部結(jié)構(gòu)主梁的布設(shè)位置， 確定加固后蓋梁中的2-2 截面同樣受力較為不利， 因此在加固后的截面抗力驗算中除考慮墩頂對應(yīng)的1-1 截面外， 還需對2-2 截面的抗力進行驗算，確保結(jié)構(gòu)的運營安全。

3.2.1 抗彎承載能力及裂縫驗算

蓋梁屬于受彎構(gòu)件， 需要對比最不利荷載組合下蓋梁所受彎矩γ0Md與其抗彎承載力MR以及構(gòu)件最大裂縫寬度與裂縫限值，分析其是否滿足規(guī)范[9]要求。

表1 抗彎承載力驗算結(jié)果

表中加固前后蓋梁截面承載力均按保守計算。 由表1 可知， 加固后1-1 截面所受彎矩γ0Md與加固前相比減小了47.78%，并且加固后1-1 和2-2 截面彎矩均小于截面抗彎承載力。

加固后結(jié)構(gòu)裂縫的驗算結(jié)果如表2 所示：

表2 裂縫驗算結(jié)果

蓋梁在加固前最大裂縫寬度超過了規(guī)范規(guī)定最大裂縫寬度的要求。 加固后，1-1 截面處的最大裂縫寬度下降至0.12 mm，減小了45.62%，加固后1-1 和2-2 截面接縫寬度均滿足規(guī)范要求， 該加固方案可有效減小蓋梁的裂縫寬度。

3.2.2 抗剪承載力驗算

根據(jù)規(guī)范[9]5.2.11、5.2.12 規(guī)定，受彎構(gòu)件抗剪承載力需滿足下式要求：

同時，抗剪承載力VR應(yīng)大于最不利荷載組合下蓋梁內(nèi)力值γ0Vd。 表3～4 分別列出了受彎構(gòu)件抗剪承載力驗算與截面抗剪承載力驗算的分析結(jié)果。

表3 受彎構(gòu)件抗剪承載力驗算結(jié)果

表4 抗剪承載力驗算結(jié)果

加固后兩個主要受力位置的抗剪承載力均滿足要求。并且由于鋼支撐對蓋梁壓力的作用，使1-1 截面的剪力值減小了63.78%，明顯減小了邊墩截面的剪力。

3.2.3 鋼支撐驗算

鋼支撐為受彎構(gòu)件，假設(shè)內(nèi)力均由鋼支撐承受γ0My=2169 kN·m。 由規(guī)范[10]5.3.1 規(guī)定，鋼支撐彎曲正應(yīng)力γ0σx應(yīng)小于抗彎強度設(shè)計值fd。 根據(jù)上述要求，表5 列出了加固方案中鋼支撐構(gòu)件的應(yīng)力驗算結(jié)果。由表可知，鋼支撐構(gòu)件的彎曲正應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

表5 鋼支撐彎曲正應(yīng)力驗算結(jié)果

4 結(jié)語

本文以福州市琴亭高架橋車道改造工程為研究背景， 對因車道改造導(dǎo)致蓋梁承載力無法滿足設(shè)計要求的情況， 提出了蓋梁底部全梁粘貼鋼板并配以墩柱頂部增設(shè)鋼板托架的加固方案，并對其加固效果進行了分析，結(jié)論如下：

(1)經(jīng)計算分析可知，加固后的蓋梁其承載能力與抗裂性能均滿足相關(guān)規(guī)范要求； 其中墩頂位置對應(yīng)的蓋梁最不利受力位置的內(nèi)力改善效果明顯， 主要結(jié)構(gòu)反應(yīng)均減小50%左右；

(2)該加固方案施工簡便快捷，對交通影響較小，結(jié)合加固效果證明該方案對蓋梁受力性能的提升效果顯著，可為今后同類工程的推廣提供參考。