邵彬

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市200433]

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁因施加預(yù)應(yīng)力，計算跨徑較普通鋼筋混凝土蓋梁顯著增大，常被設(shè)計為兩到三跨框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用在橋梁建設(shè)中。后期改造或升級時，如需分跨（段）拆除，其首要工作就是解除預(yù)應(yīng)力。在極限狀態(tài)設(shè)計時，預(yù)應(yīng)力的存在與否對蓋梁結(jié)構(gòu)安全（強度）、正常使用指標（裂縫、撓度等）均起不可或缺的正向效應(yīng)。若解除預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)抗力降低，結(jié)構(gòu)可能局部損壞甚至整體破壞，造成災(zāi)難性后果，因此對解除預(yù)應(yīng)力后的蓋梁進行驗算并按需加固至為重要。

本文以上海某橋梁P39#橋墩預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁分段拆除為例，對保留段按照正常通行條件進行加固驗算，論證了不同加固方案的效果，比選出最優(yōu)方案并進行了工程應(yīng)用，為上海地區(qū)類似的預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁改造提供參考。

某蓋梁構(gòu)造及計算參數(shù)

1.1 蓋梁構(gòu)造

P39#預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁按兩跨三柱布置，總長度38.8m，計算跨徑為18m+11.8m，東側(cè)懸臂長度3.9m，西側(cè)懸臂長度5.1m。截面為等截面倒T型，截面高度2.8m。蓋梁立面及斷面布置見圖1，圖中陰影部分需拆除，剩余部分保留且需交通通行。

蓋梁混凝土強度等級為C40，配置2排共6Φs15.2-12通長鋼束。截面下緣配18根Φ28HRB335鋼筋，T肋上緣配2排共16根Φ28HRB335鋼筋見圖2。

圖1 蓋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 蓋梁配筋、配束斷面圖（單位：cm）

1.2 計算參數(shù)

采用Civil2019、CDN2019對P39#預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁進行有限元建模，按施工工序建立相應(yīng)施工階段，分析時考慮蓋梁初始位移、溫度等影響因素。

模型中作用的荷載及取值：

（1）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：r0=1.0。

（2）恒載：蓋梁上主梁、鋪裝等荷載均按實際構(gòu)造尺寸計入。其中混凝土容重26kN/m3，瀝青混凝土容重25kN/m3。

（3）汽車荷載：車輛荷載橫向加載，車重取順橋向單車道支點反力值。汽車制動力按“15通規(guī)”相應(yīng)規(guī)定取值。

（4）溫度：按升溫、降溫20℃考慮。

（5）基礎(chǔ)沉降：結(jié)構(gòu)已運營20a，基礎(chǔ)已沉降到位，模型中不予計入。

荷載組合均按“15通規(guī)”相應(yīng)規(guī)定執(zhí)行[1]。

2 加固思路

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG3362—2018）[2]（以下簡稱“18橋規(guī)”）對結(jié)構(gòu)承載能力計算作了如下規(guī)定：

式中：S為結(jié)構(gòu)作用組合效應(yīng)設(shè)計值；R是構(gòu)件承載力設(shè)計值，即抗力值；fd為材料強度設(shè)計值；ad為幾何參數(shù)設(shè)計值。

可見，對結(jié)構(gòu)的加固可以從減小效應(yīng)和增大抗力兩個方面進行。在本項目中，剩余單跨蓋梁上的荷載設(shè)計值無法減小，可增加蓋梁支點使荷載效應(yīng)減??；另一方面，增大混凝土強度、增加截面配筋也無法實現(xiàn)，可行的是增大蓋梁截面來增大抗力。因此，適合本項目的加固方法有兩種：縮小跨徑法[3-6]或增大截面法。

3 加固驗算及方案比選

3.1 切割后未加固前蓋梁計算

原蓋梁采用的是有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系，在蓋梁切割之后會殘余有部分預(yù)應(yīng)力，但此預(yù)應(yīng)力所起效應(yīng)無法具體量化，故切割之后的蓋梁按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)驗算。采用Midas Civil2019、CDN2019建立有限元模型，模型與構(gòu)造圖紙一一對應(yīng)，荷載及邊界條件按實際設(shè)定，模型見圖3。

圖3 切割未加固蓋梁模型

切割后未加固前鋼筋混凝土蓋梁驗算結(jié)果見圖4。由圖4可知，未加固時，蓋梁截面抗彎和抗剪承載力均不滿足要求。

圖4 持久狀況承載能力極限狀態(tài)強度驗算結(jié)果圖

蓋梁在立柱頂緣和跨中下緣均開裂，且最大裂縫寬度遠超規(guī)范限值0.2mm，見圖5，不滿足規(guī)范要求。

圖5 正常使用極限狀態(tài)裂縫結(jié)果圖

3.2 縮小跨徑法加固后蓋梁計算

在蓋梁下新增4根鋼筋混凝土支撐柱，截面為正方形，邊長80cm，截面每邊配置8根Φ20HRB400鋼筋，見圖6。

圖6 支撐柱配筋斷面（單位：mm）

支撐柱基礎(chǔ)采用承臺樁基礎(chǔ)，承臺高1.5m，平面尺寸12.2m×1.4m，承臺頂標高同老橋承臺標高。承臺下設(shè)4根Φ1.0m鉆孔灌注樁，樁長58m，與支撐柱同心布置。支撐柱總體布置及加固模型見圖7、圖8。

圖7 支撐柱接承臺樁基礎(chǔ)立面布置圖（單位：cm）

圖8 蓋梁加固模型—縮小跨徑法

經(jīng)計算，蓋梁持久狀況承載能力計算結(jié)果見圖9?？芍庸毯?，蓋梁截面抗彎和抗剪承載能力均滿足規(guī)范要求。

圖9 持久狀況承載能力極限狀態(tài)強度驗算結(jié)果

正常使用極限狀態(tài)下計算結(jié)果見圖10，蓋梁在立柱頂緣和跨中下緣均開裂，最大裂縫寬度為0.164mm，滿足不大于0.2mm規(guī)范限值要求。

圖10 正常使用極限狀態(tài)裂縫結(jié)果

3.3 增大截面法加固后蓋梁驗算

蓋梁原設(shè)計高度為2.8m，在蓋梁受拉區(qū)增設(shè)1.2m加厚層，加厚寬度與蓋梁底面等寬，沿蓋梁全長增設(shè)。加厚層下緣布置3排Φ28HRB400鋼筋。

主筋穿越立柱時，在立柱對應(yīng)位置種植同直徑鋼筋，搭接及錨固長度均按規(guī)范標準執(zhí)行。構(gòu)造、配筋及植筋位置、蓋梁加固模型見圖11、圖12。

圖11 增大截面法蓋梁構(gòu)造及配筋圖（單位：cm）

圖12 蓋梁加固模型—增大截面法

經(jīng)計算，蓋梁持久狀況承載能力計算結(jié)果見圖13。由圖13計算結(jié)果可知，加固后，蓋梁截面抗彎和抗剪承載力均滿足要求。

圖13 持久狀況承載能力極限狀態(tài)強度驗算結(jié)果

正常使用極限狀態(tài)下，蓋梁在立柱頂緣和跨中下緣均開裂，最大裂縫寬度為0.169mm，見圖14，滿足不大于0.2mm的限值要求。

圖14 正常使用極限狀態(tài)裂縫結(jié)果

3.4 方案比選

通過對兩種加固方法理論計算分析，縮小跨徑法、增大截面法均起顯著作用，蓋梁跨中彎矩削峰效果顯著，蓋梁內(nèi)力顯著改善，持久狀況承載能力極限狀態(tài)下的強度驗算和正常使用極限狀態(tài)下的裂縫驗算均滿足規(guī)范要求，加固效果明顯。

兩相比較，增大截面法因加厚截面內(nèi)主筋需穿柱而過，且主筋為三排小間距布置，對應(yīng)區(qū)域立柱滿布植筋孔，實際施工較為困難，質(zhì)量難以保證；且增大截面法會引起恒載相應(yīng)增加，對加固不利。因此對P39#蓋梁切割之后加固方法選用縮小跨徑法。

4 工程應(yīng)用

在工程應(yīng)用中，為確保立柱始終作為上部蓋梁的有效支撐，在柱頂均設(shè)置有千斤頂，見圖15。為掌握切割后各項指標，對蓋梁進行了全天候?qū)崟r監(jiān)控。監(jiān)測傳感器布置點位見圖16。

圖15 蓋梁加固現(xiàn)場圖

4.1 支撐柱豎向應(yīng)變監(jiān)控結(jié)果

圖16 監(jiān)測傳感器布置圖

支撐柱應(yīng)變監(jiān)控結(jié)果見圖17。由圖17可知，支撐柱豎向應(yīng)變連續(xù)變化且整體穩(wěn)定，應(yīng)變數(shù)值合理。未出現(xiàn)明顯趨勢性變化，未出現(xiàn)瞬時超幅現(xiàn)象，支撐柱均起到預(yù)期支撐作用。

圖17 橋墩豎向應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

4.2 蓋梁跨中底部應(yīng)變監(jiān)控結(jié)果

蓋梁跨中底部應(yīng)變監(jiān)控結(jié)果見圖18。由圖18可知，蓋梁梁底應(yīng)變隨環(huán)境溫度變化而變化且整體趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)瞬時超幅現(xiàn)象。蓋梁下緣鋼筋應(yīng)力均未超過規(guī)范限值仍為彈性受力。

圖18 蓋梁跨中底部應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

4.3 蓋梁動撓度監(jiān)控結(jié)果

蓋梁跨中動撓度監(jiān)控結(jié)果見圖19。由圖19可知，切割第二段后跨中蓋梁撓度絕對值-0.836mm，最大下?lián)狭?.391mm，受溫度影響往復(fù)波動，距離最低級3.6mm預(yù)警有較大富余，整體數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

圖19 蓋梁跨中動撓度監(jiān)控結(jié)果

4.4 蓋梁裂縫監(jiān)控結(jié)果

蓋梁切割前存在數(shù)條既有裂縫；蓋梁切割后，現(xiàn)狀裂縫未繼續(xù)開展。蓋梁兩側(cè)均未出現(xiàn)明顯新增裂縫。

據(jù)監(jiān)控結(jié)果，在切斷了預(yù)應(yīng)力筋改變了原有結(jié)構(gòu)后，支撐柱及時被動受力，新的結(jié)構(gòu)傳力體系快速且有效形成，結(jié)構(gòu)處于新的穩(wěn)定狀態(tài)，既有裂縫均停止開展，同時無明顯新增裂縫出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

本文以改建的大跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蓋梁為研究對象，分別采用縮小跨徑法和增大截面法進行了加固驗算，經(jīng)過綜合分析后選用了縮小跨徑法作為本工程加固方案。

增設(shè)臨時支墩后，蓋梁受力顯著改善，承載能力間接提高，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，達預(yù)期加固效果。不足之處在于加固驗算過程無法對殘余預(yù)應(yīng)力進行可靠的量化，因此暫未考慮其所起的作用。

工程實踐證明，采用縮小跨徑法可以在保證交通通行的條件下，安全、方便地完成大跨蓋梁的截斷和改造，成果可供同類項目參考。