楊 磊

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110015)

公路橋梁是國(guó)家和地區(qū)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，針對(duì)一些交通繁忙、病害嚴(yán)重、拆除難度大的舊橋，及時(shí)采取維修加固措施是當(dāng)今較為穩(wěn)妥的做法。下面從適用條件、力學(xué)影響、附加影響等方面，對(duì)橋面補(bǔ)強(qiáng)加固法進(jìn)行介紹研究。

1 橋面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法

1.1 橋面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法適用條件

橋面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固法主要適用于橋梁的橋面板結(jié)構(gòu)或梁體承載能力不夠，剛度顯著不足，或者板、梁的鉸縫橫向傳力效果不強(qiáng)等情況。由于考慮到自重的影響，結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)層的總體厚度會(huì)受到限制，因此該加固方法更多地適用于中小跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)。

1.2 橋面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法的附加影響

橋面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固法將使梁體或橋面板的恒載增加，因此應(yīng)先計(jì)算橋面增加厚度后是否能夠提高橋梁的承載能力，如果橋梁結(jié)構(gòu)恒載增加影響顯著，則應(yīng)考慮其他方法。另外，通過(guò)加鋪橋面補(bǔ)強(qiáng)層厚，整體的高程也將引起變化，橋頭引道或橋面縱坡應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

1.3 橋面結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法的力學(xué)特點(diǎn)

利用橋面補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時(shí)，屬于二次受力結(jié)構(gòu)，原結(jié)構(gòu)在加固前已經(jīng)受力，加固后補(bǔ)強(qiáng)層并不立即受力，只有在新增荷載的作用下才開(kāi)始受力。

當(dāng)構(gòu)造物結(jié)合面上混凝土強(qiáng)度可以達(dá)到原有梁(板)與補(bǔ)強(qiáng)層的整體受力的工作性能，所形成的加固構(gòu)件就是具有組合構(gòu)件的分階段受力特點(diǎn)的組合梁(板)，具有“后澆混凝土受壓應(yīng)變滯后”“荷載預(yù)應(yīng)力”和“受拉鋼筋應(yīng)力超前”等結(jié)構(gòu)特性。

原有梁(板)與補(bǔ)強(qiáng)層的結(jié)合面處于復(fù)合受力狀態(tài)。通過(guò)結(jié)合面可以傳遞壓力，但對(duì)于拉力和剪力，由于結(jié)合面上的混凝土所具有的抗拉和抗剪能力較弱，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)置結(jié)合鋼筋，結(jié)合面局部產(chǎn)生水平裂縫后，伴隨結(jié)合面的相對(duì)位移增大，裂縫寬度也隨之增加，則結(jié)合面鋼筋產(chǎn)生拉應(yīng)力，而其反作用力對(duì)結(jié)合面形成了約束作用，致使裂縫受到抑制，剪力通過(guò)結(jié)合面上鋼筋的銷(xiāo)栓作用和混凝土的骨料咬合摩阻力來(lái)傳遞。結(jié)構(gòu)的承載力由其它強(qiáng)度指標(biāo)控制，不會(huì)產(chǎn)生沿結(jié)合面的破壞狀況。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

某橋梁建成于2001年，橋跨組合為9-25m，橋長(zhǎng)231m。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩，肋板臺(tái)，樁基礎(chǔ)，橋面鋪裝采用防水混凝土，厚度13cm，強(qiáng)度等級(jí)C40。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-20級(jí)，掛-100。

2016年對(duì)該橋進(jìn)行定期檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)梁體橫向聯(lián)系較弱，且橋面縱向裂縫較多，局部呈現(xiàn)單板受力狀態(tài)，個(gè)別梁體已出現(xiàn)豎向裂縫。針對(duì)這種情況立即采取了特殊檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示該橋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均不能滿足設(shè)計(jì)文件的要求。因此，同年對(duì)橋梁采用橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法進(jìn)行維修加固，具體過(guò)程為：鑿除舊橋面鋪裝層和鉸縫混凝土，用厚度為15cm的水泥混凝土(C50)橋面補(bǔ)強(qiáng)層取代舊橋面鋪裝，并將補(bǔ)強(qiáng)層和鉸縫混凝土同時(shí)澆筑成一體，提升了梁體的抗彎剛度，改善了鉸接梁板的荷載橫向分布，進(jìn)而達(dá)到提高橋梁承載能力的目的。

2.2 靜載試驗(yàn)橋孔選擇與工況

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的外觀檢查結(jié)果，對(duì)最不利橋跨(第3孔)進(jìn)行荷載試驗(yàn)，通過(guò)加固前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)，分析加固方法的有效性。

橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-20級(jí)，掛-100，通過(guò)模型計(jì)算選取雙后軸加載重車(chē)4輛作為等代荷載，車(chē)輛軸重及軸距見(jiàn)圖1，橋面采用偏心布置，見(jiàn)圖2。

圖1 加載車(chē)輛軸重及軸距示意圖

圖2 加載車(chē)輛橫向布置圖

靜載試驗(yàn)效率按式(1)計(jì)算，正彎工況的試驗(yàn)效率見(jiàn)表1，滿足規(guī)范要求。

(1)

其中：Ss—靜載試驗(yàn)的控制截面內(nèi)力計(jì)算值；

S—荷載作用下截面最不利內(nèi)力計(jì)算值；

1+μ—沖擊系數(shù)。

表1 各試驗(yàn)工況靜載試驗(yàn)效率表

2.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1加固前荷載試驗(yàn)檢測(cè)

在第3孔跨中最大正彎矩工況作用下，跨中截面各T梁的撓度及應(yīng)力的實(shí)測(cè)值、理論值、校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表2。

2.3.2加固后荷載試驗(yàn)檢測(cè)

對(duì)該橋進(jìn)行橋面補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)加固，并利用荷載試

表2 加固前試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測(cè)值

驗(yàn)驗(yàn)證加固效果，加固后跨中截面各梁測(cè)點(diǎn)撓度、應(yīng)力的實(shí)測(cè)值、理論值及校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 加固后試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測(cè)值

2.3.3結(jié)果對(duì)比與分析

加固前該橋第3孔梁體在荷載工況的作用下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)范圍為0.70～0.93，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.87～1.12，其中絕大部分梁體的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)均已超出了限值1.00；加固后梁體撓度的校驗(yàn)系數(shù)為0.50～0.60，應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.51～0.77，均滿足試驗(yàn)規(guī)范對(duì)撓度、應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)限值的要求，加固前、后校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比詳見(jiàn)表4。

從表4可以看出，通過(guò)橋面補(bǔ)強(qiáng)后，第3孔各梁的剛度、強(qiáng)度均有所提升，主要表現(xiàn)為設(shè)計(jì)荷載作用下?lián)隙?、?yīng)力校驗(yàn)系數(shù)有所下降，降幅為21%～51%。

表4 橋面加固前后梁體撓度、應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)比對(duì)表

2.4 動(dòng)載試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)加固后橋梁進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)構(gòu)自振頻率、沖擊系數(shù)、阻尼比等參數(shù)，評(píng)價(jià)橋梁在維修加固后的動(dòng)力特性。

2.4.1自振頻率測(cè)試

采用大地脈動(dòng)法測(cè)試橋梁第3孔的橋梁自振頻率，測(cè)振傳感器布置在跨中截面的橋面位置。自振頻率實(shí)測(cè)頻域曲線見(jiàn)圖3，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖3 第3孔實(shí)測(cè)頻域曲線

表5 第3孔自振頻率測(cè)試結(jié)果表

該橋第3孔的實(shí)測(cè)自振頻率fmi與理論計(jì)算頻率fdi的比值為1.02，介于1.0與1.1之間。依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)第5.9.2條確定自振頻率的評(píng)定標(biāo)度為2，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)尚處于正常狀態(tài)。

2.4.2沖擊系數(shù)測(cè)試

利用1輛43t重的載重試驗(yàn)車(chē)在不同車(chē)速時(shí)勻速通過(guò)橋梁，跑車(chē)速度分別為30～60km/h。車(chē)輛在橋面上行駛會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊，從而造成橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，通過(guò)動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)主要控制截面測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變曲線(如圖4～圖7)，并利用式(2)計(jì)算不同車(chē)速下的沖擊系數(shù)，具體結(jié)果見(jiàn)表6。

(2)

式中：fdmax—實(shí)測(cè)最大動(dòng)應(yīng)變幅值；

fdmin—與fdmax對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)變波谷值。

圖4 第3孔30km/h跑車(chē)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變波形圖

圖5 第3孔40km/h跑車(chē)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變波形圖

圖6 第3孔50km/h跑車(chē)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變波形圖

圖7 第3孔60km/h跑車(chē)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變波形圖

由表6可知，該橋第3孔在不同跑車(chē)速度(30～60km/h)的作用下，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)均小于規(guī)范計(jì)算值，滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

2.4.3阻尼比分析

橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比采用波形分析法計(jì)算，通過(guò)不同車(chē)速下的跑車(chē)試驗(yàn)，在車(chē)輛駛離橋面過(guò)程中采集橋梁振動(dòng)逐步自然衰減的幅值譜圖(圖8～圖11)，并利用式(3)計(jì)算不同車(chē)速下的阻尼比，具體結(jié)果見(jiàn)表7。

(3)

式中：D—阻尼比；

圖8 第3孔30km/h跑車(chē)試驗(yàn)豎向振動(dòng)波形圖

圖10 第3孔50km/h跑車(chē)試驗(yàn)豎向振動(dòng)波形圖

圖11 第3孔60km/h跑車(chē)試驗(yàn)豎向振動(dòng)波形圖

表7 不同車(chē)速激振下橋梁阻尼比計(jì)算結(jié)果匯總表

n—參與計(jì)算的波的個(gè)數(shù)，不小于3；

Ai—參與計(jì)算的首波峰值；

Ai+n—參與計(jì)算的尾波峰值；

由表7可知，該橋第3孔在不同跑車(chē)速度(30～60km/h)的作用下，阻尼比計(jì)算值為2.60%～3.47%，所得結(jié)果在正常范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

從橋面補(bǔ)強(qiáng)加固法的適用條件、力學(xué)特點(diǎn)、附加影響等方面進(jìn)行了介紹，同時(shí)列舉實(shí)例驗(yàn)證了橋面補(bǔ)強(qiáng)加固法能夠提高結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系及剛度。考慮到該加固方法技術(shù)難度低，見(jiàn)效顯著，因此，在滿足適用條件的情況下，建議利用橋面補(bǔ)強(qiáng)加固法對(duì)舊橋進(jìn)行加固維修，保證舊橋結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。