郭 擎

(武漢鐵路橋梁職業(yè)學(xué)院,武漢 430050)

近年來,我國車輛撞擊橋梁結(jié)構(gòu)事故頻發(fā),嚴(yán)重威 脅橋梁安全[1]。已有許多學(xué)者對橋梁損傷修復(fù)進(jìn)行相關(guān)研究,陸新征等研究橋梁上部結(jié)構(gòu)在超高車輛撞擊下的破壞模式,并提出基于簡化半正弦撞擊力時(shí)程的分析方法[2];李強(qiáng)介紹如何針對不同橋梁結(jié)構(gòu)形式及病害狀況選擇有效的加固方案[3];胡所亭等基于混凝土箱梁底板損傷仿真分析結(jié)果,提出采用移動模架支撐主梁后修復(fù)受損區(qū)域,采用放松已張拉預(yù)應(yīng)力束并重新張拉的加固方案[4];陳軍民在基于橋梁維修加固基本原則的基礎(chǔ)上,總結(jié)拱橋的幾種病害并給出了加固方案[5];杜剛分析鐵路橋梁改造加固的設(shè)計(jì)與方法[6]。不難看出,以往研究較少涉及車輛撞擊橋梁造成的損傷修復(fù)。

以下依托某32m跨預(yù)應(yīng)力混凝土T梁被車輛撞擊損傷后的修復(fù)處治工程,結(jié)合有限元分析,對其加固方案進(jìn)行深入研究。

1 工程概況

某鐵跨公既有線橋梁全長45.6m,主跨采用1跨32.6m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土低高度T形梁,橋臺為耳墻式,基礎(chǔ)類型為鉆孔樁,承臺頂至基底24.5m,支座類型為搖軸支座,橋下凈高5.1m。建成時(shí)間為2001年。

T形梁高2.0m,主梁頂寬3.9m。梁體采用C55混凝土,縱向預(yù)應(yīng)力鋼束為9φ15.2mm鋼絞線,公稱直徑為15mm,公稱抗拉強(qiáng)度為1600MPa。2005年,為改善梁體動力性能進(jìn)行橫向加固,通過增設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力將雙T梁連接為整體[7-8],橋位和結(jié)構(gòu)橫斷面見圖1、圖2。

圖1 橋位示意

圖2 T梁結(jié)構(gòu)橫斷面示意(單位:cm)

2015年7月,一輛大型翻斗車撞擊該橋主梁,導(dǎo)致T梁跨中處外側(cè)翼緣板損傷較大(見圖3),而T梁腹板及底板基本未受到影響。T梁翼緣板混凝土被撞擊后局部破碎,其相鄰部位混凝土開裂,已無法繼續(xù)發(fā)揮承重作用,且破損混凝土隨時(shí)有墜落可能。根據(jù)橋梁病害檢測結(jié)果,T梁外側(cè)翼緣板的損傷范圍沿縱向總長4.5m,為跨中以東1.9m至以西2.6m段。

圖3 T梁被撞擊后損傷照片

2 總體搶險(xiǎn)方案比選

針對橋梁被車輛撞擊后產(chǎn)生的病害狀況,提出兩種搶險(xiǎn)方案:方案一為更換整跨受損主梁;方案二為針對受損部位進(jìn)行局部加固處理。

2.1 換梁

將受損的整孔梁進(jìn)行更換,此方案能夠完全解決問題,效果最好,但也存在許多缺點(diǎn)。首先,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)于20世紀(jì)90年代,采用的是低高度T梁,這種梁目前已經(jīng)棄用,如果澆筑新梁,必須重新制作模板,耗時(shí)長且費(fèi)用高。另外,該橋受損區(qū)域只有6m,全部更換非常不經(jīng)濟(jì),且占用鐵路天窗口較多。

2.2 對破損翼緣進(jìn)行拆除后重新澆筑

僅針對破損范圍進(jìn)行處理,根據(jù)現(xiàn)場破損狀況,按鋸齒形鑿除單側(cè)或雙側(cè)翼緣板、擋砟墻,然后再按原樣恢復(fù)。該方案新舊混凝土的結(jié)合處理是本項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn),對設(shè)計(jì)、施工的要求都很高;而且,采用該方案施工時(shí)不能妨礙橋下道路的通行,對施工組織要求較高。但此方案有顯著優(yōu)點(diǎn):①該方案僅針對破損范圍,工程量較小,非常經(jīng)濟(jì);②需要的工期較短,占用鐵路天窗口較少,對既有線影響小。

2.3 方案比選

本項(xiàng)目搶險(xiǎn)方案比選結(jié)果如表1所示。

表1 搶險(xiǎn)方案比較

續(xù)表1

綜上所述,方案二經(jīng)濟(jì)性好、對工期要求和既有線的影響都較小,故選擇方案二為本項(xiàng)目實(shí)施方案。

3 加固設(shè)計(jì)方案研究

橋梁加固設(shè)計(jì)原則:主梁加固應(yīng)具有針對性且盡量減小對未受損構(gòu)件的附加損傷,加固范圍應(yīng)根據(jù)原橋施工圖及事故損傷調(diào)查結(jié)果進(jìn)行確定,并經(jīng)現(xiàn)場核對。橋梁加固后結(jié)構(gòu)安全性、耐久性應(yīng)滿足規(guī)范要求。加固設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮新舊混凝土的結(jié)合性能[9]。

3.1 加固設(shè)計(jì)方案

(1)損傷翼緣板拆除及重新澆筑

T梁翼緣板拆除范圍為主梁跨中兩側(cè)各3m。其中,跨中以東0.4m處至2.5m范圍內(nèi)拆除整塊翼緣板;其他區(qū)域拆除T梁外側(cè)翼緣板,并將內(nèi)側(cè)翼緣板頂面往下鑿除5cm,并將其鑿毛,鑿毛面積需達(dá)到90%以上[10]。損傷翼緣板維修處治方案如圖4～圖6所示。

圖4 整塊翼緣板鑿除示意

圖5 外側(cè)翼緣板鑿除示意

圖6 翼緣板鑿除平面示意(單位:cm)

拆除T梁整塊翼緣板,重新設(shè)置翼緣板橫向鋼筋及縱向鋼筋,并與原腹板豎向鋼筋連接為整體骨架。鋼筋綁扎完畢后,重新澆筑翼緣板混凝土。為增強(qiáng)新澆筑翼緣板與原有腹板之間縱向水平抗剪性能,與腹板原豎向鋼筋間隔布置。拆除T梁外側(cè)翼緣板,重新設(shè)置翼緣板外側(cè)橫向鋼筋及縱向鋼筋。鑿除外側(cè)翼緣板混凝土,保留20cm橫向鋼筋,設(shè)置橫向鋼筋與原鋼筋搭接焊。結(jié)合面采用混凝土復(fù)合界面劑,并澆筑C60微膨脹混凝土。

(2)增設(shè)混凝土橫向加勁板

為改善整塊新澆筑翼緣板橫向受力狀態(tài),在T梁跨中以東2m處腹板內(nèi)外側(cè)各增設(shè)1道混凝土橫向加勁板[11]。新增加勁板板厚20cm,寬36cm,通過橫向植筋與原腹板連接為整體,植筋直徑為12mm,通穿腹板。新增加勁板豎向鋼筋與新澆筑翼緣板橫向鋼筋綁扎為骨架,并整體澆筑。主梁增設(shè)橫向加勁板方案如圖7所示。

圖7 主梁增設(shè)橫向加勁板示意(單位:cm)

(3)道砟墻拆除及重新澆筑

拆除跨中兩側(cè)各3m范圍內(nèi)道砟墻,重新布置墻體箍筋及縱向鋼筋,維修處治方案如圖8所示。新設(shè)縱筋與保留墻體縱向鋼筋焊接為整體,新設(shè)道砟墻與新設(shè)翼緣板混凝土整體澆筑。

圖8 道砟墻拆除重新澆筑示意

(4)臨時(shí)頂升措施

在鋼筋綁扎完成后頂升梁體,通過計(jì)算,頂升力確定為100kN,使上翼緣板的壓應(yīng)力減少;澆筑混凝土后,千斤頂卸載,主梁恢復(fù)正常受力狀態(tài)[12]。頂升支架系統(tǒng)采用鋼管墩結(jié)構(gòu),在主梁跨中處沿縱向設(shè)置2根鋼管墩柱,主梁臨時(shí)頂升措施方案如圖9所示。

圖9 主梁臨時(shí)頂升方案示意(單位:cm)

(5)粘貼碳纖維布

為了增強(qiáng)新澆筑翼緣板的橫向抗彎強(qiáng)度和抑制裂縫,在主梁跨中兩側(cè)各3m范圍內(nèi)翼緣板頂面,粘貼縱、橫向碳纖維布各一層。

(6)防腐涂裝

為提升橋梁整體景觀和構(gòu)件防護(hù)的需要,對主梁翼緣板底面、腹板側(cè)面及底板底面進(jìn)行涂裝。該涂裝不僅起裝飾美化的作用,還可以阻止混凝土的風(fēng)蝕、碳化,該涂層體系防腐年限為20年。

3.2 加固結(jié)構(gòu)分析

采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas Civil,對單片T梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,模擬主梁原設(shè)計(jì)狀態(tài)、損傷狀態(tài)及加固后狀態(tài),通過施工階段聯(lián)合截面分析功能模擬跨中附近范圍翼緣板的鑿除及重新澆筑,對施工階段及運(yùn)營階段主梁結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行驗(yàn)算(見圖10、圖11)。此外,采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。

圖10 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

圖11 損傷狀態(tài)跨中截面(單位:mm)

橋梁結(jié)構(gòu)分析分別按以下兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行。

①加固前損傷狀態(tài)

按“恒載(包括未損傷部位橋面二恒)+預(yù)應(yīng)力”荷載工況進(jìn)行施工階段驗(yàn)算,此階段在不運(yùn)行列車的情形下清除損傷部位橋面二恒。對比原設(shè)計(jì)該工況下計(jì)算結(jié)果。

②加固后狀態(tài)

此階段恢復(fù)補(bǔ)強(qiáng)損壞側(cè)翼緣板后,原主梁最不利應(yīng)力狀態(tài)按現(xiàn)有損傷截面承受“恒載(包括未損傷部位橋面二恒)+預(yù)應(yīng)力”與恢復(fù)截面承受“損傷部位橋面二恒+活載”兩項(xiàng)疊加而得;新澆筑翼緣板最不利應(yīng)力狀態(tài)按恢復(fù)截面承受“損傷部位橋面二恒+活載”而得[13]。

(1)主梁加固驗(yàn)算

主梁跨中截面承載能力驗(yàn)算結(jié)果見表2。

表2 主梁跨中截面承載能力驗(yàn)算結(jié)果對比

由表2可知,加固前,損傷強(qiáng)度安全系數(shù)K=2.79>2.0;加固后,跨中截面強(qiáng)度安全系數(shù)K=2.81>2.0。即使在損傷狀態(tài)下,主梁正截面抗彎強(qiáng)度仍滿足規(guī)范要求。

加固后主力工況下主梁跨中正應(yīng)力值對比見表3。

表3 加固后主力工況下主梁跨中正應(yīng)力值對比MPa

由表3可知,加固后主力組合作用下,鑿除1/2翼緣板后,原主梁混凝土最大壓應(yīng)力為19.7MPa;鑿除全部翼緣板后,原主梁混凝土最大壓應(yīng)力為20.5 MPa,新澆筑翼緣板混凝土最大壓應(yīng)力為14.9MPa,均不出現(xiàn)拉應(yīng)力。加固后鑿除1/2翼緣板范圍內(nèi)主梁混凝土及新澆筑翼緣板混凝土最大壓應(yīng)力小于19.25 MPa,滿足規(guī)范要求;而鑿除全部翼緣板范圍內(nèi)主梁混凝土最大壓應(yīng)力略大于規(guī)范限值。

(2)采用臨時(shí)頂升措施后主梁驗(yàn)算

對比未采用頂升措施與采用頂升措施梁體跨中正截面應(yīng)力,結(jié)果見表4。

表4 頂升對T梁跨中正截面應(yīng)力的影響 MPa

由表4可知,未采用頂升措施梁體上緣正截面應(yīng)力最大值超過了規(guī)范限值,采用該措施后,正截面應(yīng)力最大減少1.2MPa,滿足規(guī)范限值。

(3)新老混凝土結(jié)合面抗剪驗(yàn)算

依據(jù)公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[14],有

其中,結(jié)合面每延米承受的剪力vd=16.0kN/m;截面計(jì)算高度h0=263mm;混凝土fcd=22.4MPa;加固后結(jié)合面鋼筋采用φ12mm HRB400鋼筋,間距為100mm,則有

新老結(jié)合面抗剪計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 新老結(jié)合面抗剪計(jì)算 kN/m

由表5可知,新老混凝土結(jié)合面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

4 搶險(xiǎn)加固施工

本橋搶險(xiǎn)加固實(shí)際總工期約為15d,主要工程內(nèi)容包括:清除橋面系、拆除受損翼緣板、布設(shè)普通鋼筋及植筋、頂升主梁、翼緣板及橫向加勁板混凝土澆筑、混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后千斤頂卸載、粘貼碳纖維布、恢復(fù)橋面系以及涂抹防腐涂裝等。本項(xiàng)目搶險(xiǎn)加固施工取得經(jīng)驗(yàn)如下。

(1)對于上跨公路交通要道的既有線橋梁進(jìn)行搶修加固,并采用支架法進(jìn)行施工時(shí),需重點(diǎn)加強(qiáng)道路封閉、交通疏導(dǎo)及警示等工作,以避免過往車輛撞擊支架系統(tǒng)。

(2)對C60高強(qiáng)度微膨脹混凝土配合比應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以改善其和易性。

(3)臨時(shí)頂升系統(tǒng)必須保持穩(wěn)定加載,以保證梁體應(yīng)力調(diào)幅效果。

5 加固后橋梁檢定評估

橋梁加固施工結(jié)束后進(jìn)行檢測評估,采用兩輛DF4機(jī)車聯(lián)掛進(jìn)行靜載試驗(yàn)和相關(guān)速度的動載試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得出如下結(jié)論。

(1)傷損截面下翼緣活載拉應(yīng)力、上翼緣活載壓應(yīng)力均小于相應(yīng)的計(jì)算值,表明傷損橋梁修復(fù)后受力滿足修復(fù)加固設(shè)計(jì)要求。傷損梁片跨中豎向撓跨比小于規(guī)范相應(yīng)通常值要求,表明傷損梁體修復(fù)加固后的豎向剛度滿足規(guī)范要求[15]。

(2)在橋上列車較低速度運(yùn)行條件下,所測傷損梁和左片梁(對比)橫向振幅、橫向振動加速度、橫向自振頻率及豎向振動加速度、豎向自振頻率均滿足要求。從左右兩片梁相應(yīng)橫豎向剛度指標(biāo)比較未發(fā)現(xiàn)明顯差異,表明傷損梁體修復(fù)后與未受損梁剛度指標(biāo)接近。

6 結(jié)語

鐵路既有線簡支T梁受到失速車輛撞擊后,當(dāng)僅受壓區(qū)翼緣板損傷而未致受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力筋折斷時(shí),可采用拆除受損翼緣板并重新澆筑的加固方案進(jìn)行搶險(xiǎn)修復(fù)。相較于采用整孔換梁的方案,該加固方案減少上翼緣壓應(yīng)力1.2MPa,經(jīng)濟(jì)性好、技術(shù)難度小、工期短、對既有線的影響較小。根據(jù)加固后橋梁檢測結(jié)果,該橋采用主動與被動相結(jié)合的措施加固后梁體受力狀態(tài)滿足規(guī)范要求,運(yùn)營5年無病害出現(xiàn)。該加固方法可為同類橋梁事故搶險(xiǎn)提供借鑒。