李保軍，宋建平

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

在我國(guó)普通鋼筋混凝土梁橋，特別是普通鋼筋混凝土空心板梁橋，因其采用簡(jiǎn)單便捷的預(yù)制拼裝施工工藝，2004年以前被我國(guó)各等級(jí)公路廣泛使用。但是隨著材料的老齡化和日益增加的交通量，大部分普通鋼筋混凝土梁出現(xiàn)大量的裂縫，部分裂縫已超過(guò)規(guī)范限寬，橋梁承載力和舒適性下降，已經(jīng)滿(mǎn)足不了現(xiàn)行交通需求。若拆掉重建，需投入較大經(jīng)濟(jì)成本。目前對(duì)普通鋼筋混凝土梁橋主要的加固方法有[1]：粘貼鋼板或纖維復(fù)合材料、增大截面積、施加體外預(yù)應(yīng)力等。大量實(shí)例及研究表明粘貼鋼板或纖維復(fù)合材料等被動(dòng)方法加固的效果有限，且新舊材料的粘合好壞程度直接影響加固的效果[2]，從大量常規(guī)加固方法的實(shí)例中可以看出橋梁加固后運(yùn)營(yíng)不久就會(huì)出現(xiàn)新老材料脫離、粘結(jié)力下降等問(wèn)題，結(jié)構(gòu)裂縫得不到有效限制，甚至發(fā)展成新的裂縫，橋梁承載力提高不顯著。增大截面積法對(duì)恒載增加較大，且新舊混凝土界面處因結(jié)合不良易出現(xiàn)裂縫。體外預(yù)應(yīng)力筋或體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板等主動(dòng)加固方法存在有效預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間降低的問(wèn)題[3-5]，長(zhǎng)期加固效果降低明顯。

本文提出的多跨普通鋼筋混凝土主動(dòng)加固方法，是在由梁受力改變?yōu)榱汗笆芰Y(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，增加頂升梁體獲得有效預(yù)應(yīng)力的方法，能有效提高橋梁承載力，收縮梁體裂縫寬度，提高橋梁的耐久性。該加固方法施工簡(jiǎn)單，后期有效預(yù)應(yīng)力可監(jiān)測(cè)，且易于提高預(yù)應(yīng)力度。

1 加固方法介紹

本文提出一種對(duì)多跨普通鋼筋混凝土梁橋增設(shè)鋼拱片的主動(dòng)加固方法，該方法是通過(guò)在普通鋼筋混凝土梁下設(shè)置鋼拱片，橋臺(tái)處鋼拱片拱座通過(guò)植入原橋臺(tái)的錨栓固定，橋墩處鋼拱片拱座通過(guò)植入橋墩蓋梁的錨栓及與墩柱間鋼橫梁焊接固定，鋼拱片和拱座通過(guò)焊接固定。鋼拱片兩側(cè)拱腳焊接鋼拉桿鉚座，鉚座間裝置鋼拉桿，拉桿中間設(shè)置花籃螺絲以調(diào)解拉桿內(nèi)力。鋼拱片和普通混凝土梁間設(shè)置鋼支撐柱，每片混凝土梁底根據(jù)受力需要增設(shè)1～2片鋼拱片，鋼拱片橫向間設(shè)置橫聯(lián)形成整體，如圖1所示。拱片和普通混凝土梁間設(shè)置鋼支撐柱，形成加固拱片和原普通鋼筋混凝土梁間的剛性約束支撐體系。鋼支撐柱所提供的豎向力通過(guò)臨時(shí)支撐點(diǎn)上的千斤頂頂升后，鋼支撐柱將鋼拱片和混凝土梁間頂緊，釋放臨時(shí)支撐點(diǎn)上的千斤頂，千斤頂上的支撐力轉(zhuǎn)移到永久固定的鋼支撐柱上。普通鋼筋混凝土梁橋增設(shè)鋼拱片的主動(dòng)加固方法，施工簡(jiǎn)單快捷，質(zhì)量容易控制，加固后混凝土梁結(jié)構(gòu)受力明確，內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)單。

圖1 鋼拱片加固示意圖

本文提出的針對(duì)多跨普通鋼筋混凝土梁橋的主動(dòng)加固方法，是基于由梁受力改變?yōu)榱汗笆芰Y(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，增加多點(diǎn)彈性支撐，減小橋梁跨度，增加頂升梁體獲得有效預(yù)應(yīng)力的方法，施工過(guò)程基本不影響梁體結(jié)構(gòu)，能有效提高橋梁承載力，減小橋梁撓度，收縮梁體裂縫寬度，提高橋梁的耐久性。該加固方法因設(shè)置水平鋼拉桿平衡水平推力，對(duì)橋墩不產(chǎn)生附加彎矩。該加固方法施工快速簡(jiǎn)單易行，后期有效預(yù)應(yīng)力可通過(guò)鋼支撐力傳感器監(jiān)測(cè)確定，通過(guò)補(bǔ)充頂升力即可提高梁體有效預(yù)應(yīng)力度。

多跨普通鋼筋混凝土梁橋采用增設(shè)預(yù)加力鋼拱片的主動(dòng)加固方法后，混凝土梁任意截面的彎矩減小值與拱片提供的豎直向上力P及力的加載位置Xi有關(guān)，受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 加固梁后受力簡(jiǎn)圖

加固后混凝土梁任意截面最大彎矩表達(dá)式為：

(1)

支點(diǎn)截面最大剪力表達(dá)式為：

(2)

式中：

qg——恒載均布荷載；

qp——活載均布荷載；

Pp——活載集中荷載；

P——鋼拱片提供的豎直向上集中荷載；

a——混凝土梁任意截面到梁端的距離；

l——混凝土梁計(jì)算跨徑；

Xi——豎直向上集中荷載到計(jì)算截面的距離；

m——計(jì)算截面左側(cè)豎直向上集中荷載個(gè)數(shù)；

n-m——計(jì)算截面右側(cè)豎直向上集中荷載個(gè)數(shù)；

n——豎直向上集中荷載的個(gè)數(shù)；

mc——各片混凝土梁橫向分布系數(shù)，為常數(shù)；

μ——汽車(chē)沖擊系數(shù)。

增設(shè)的鋼拱片設(shè)計(jì)的材料和截面尺寸需根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的內(nèi)力確定[6]，鋼拉桿水平拉力表達(dá)式如下：

(3)

鋼拱片拱腳彎矩MA和跨中彎矩MB表達(dá)式分別如下：

MA=X1+X2(d-Rcosφ0)

(4)

MB=X1-X2(R-d)

(5)

式中：

y——彈性中心到拱頂?shù)呢Q向距離；

φ——鋼拱片上任意點(diǎn)的圓心角；

φ0——鋼拱片兩拱腳間的圓心角；

MP——鋼拱片對(duì)應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)在豎直向上力P的作用下產(chǎn)生的彎矩；

EI——鋼拱片的抗彎剛度；

EA——鋼拱片的抗壓剛度。

2 工程實(shí)際應(yīng)用

某二級(jí)路上的一座三跨16 m跨徑的普通鋼筋混凝土空心板梁橋(見(jiàn)圖3)，橋梁建成于1990年，運(yùn)營(yíng)27年后，梁底出現(xiàn)較多橫向及斜向裂縫，部分裂縫超過(guò)規(guī)范限寬。原橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)較低，隨著交通量的日益增加，橋梁承載能力不足，空心板梁跨中附近出現(xiàn)超寬裂縫，因此需要采用一種主動(dòng)加固方法，以有效地減小混凝土梁跨中彎矩，收縮裂縫寬度，故需對(duì)該鋼筋混凝土空心板梁采用梁底增設(shè)鋼拱片的方法進(jìn)行加固(見(jiàn)圖4和圖5)，計(jì)算加固后混凝土梁截面A、B、C彎矩與加固前截面A、B、C彎矩的比值。

圖3 橋梁加固前立面圖(cm)

圖4 橋梁加固后立面圖(cm)

圖5 橋梁加固后橫斷面圖(cm)注：1是普通鋼筋混凝土梁，2是鋼拱片，3是鋼支撐柱，4是拱片間橫聯(lián)

16 m跨徑的普通鋼筋混凝土空心板梁橋，橫向布置19片空心板，空心板汽車(chē)最大橫向分布系數(shù)為0.175，汽車(chē)沖擊系數(shù)為0.292，恒載均布荷載qg為13.4 kN·m，活載均布荷載qp為10.5 kN·m，活載集中荷載Pp為292 kN。一片鋼拱片上設(shè)置5個(gè)豎直向上力支撐點(diǎn)，按橋梁跨中對(duì)稱(chēng)布置，支撐點(diǎn)間距分布為1 m和2 m，每片梁下豎直向上力P分別按10 kN、15 kN、20 kN三級(jí)加載，將以上數(shù)據(jù)帶入公式：

(6)

可得到加固后混凝土梁在2 m間距的豎向力P加載30 kN作用下，跨中彎矩減少了36.4%，各個(gè)計(jì)算截面彎矩減少均在30%以上。在1 m間距的豎向力P加載30 kN作用下，跨中彎矩減少了44.2%。

由此實(shí)例可知，運(yùn)用本文加固方法對(duì)混凝土橋梁加固的效果顯著。普通鋼筋混凝土梁通過(guò)梁底增設(shè)鋼拱片的主動(dòng)加固方法，在拱片和混凝土梁間加載的豎向力P為30 kN時(shí)，混凝土梁跨中彎矩減少35%以上，帶來(lái)可觀的工程效益。

通過(guò)不斷調(diào)整在拱片和混凝土梁間加載的豎向力P的大小及間距，得到不同方案對(duì)應(yīng)原普通鋼筋混凝土梁彎矩的減小量情況如表1、表2所示。

表1 間距為2 m時(shí)各級(jí)豎向加載下各計(jì)算截面彎矩值結(jié)果表

表2 間距為1 m時(shí)各級(jí)豎向加載下各計(jì)算截面彎矩值結(jié)果表

3 結(jié)語(yǔ)

(1)多跨普通鋼筋混凝土梁橋采用增設(shè)預(yù)加力鋼拱片的主動(dòng)加固方法，能起到對(duì)梁橋提供多點(diǎn)支撐豎向預(yù)加力，及由梁橋受力轉(zhuǎn)化為梁拱組合受力的體系轉(zhuǎn)換效果。

(2)多跨普通鋼筋混凝土梁橋采用本文提出的增設(shè)預(yù)加力鋼拱片的主動(dòng)加固方法，鋼拱片產(chǎn)生的水平力由設(shè)置的鋼拉桿平衡，對(duì)橋墩不產(chǎn)生附加彎矩。

(3)采用本文提出的建議計(jì)算公式，可快速計(jì)算出橋梁各截面內(nèi)力及拱片內(nèi)力，可供設(shè)計(jì)參考。

(4)采用本文提出的方法加固后，普通鋼筋混凝土梁彎矩的減小值與拱片和混凝土梁間加載的豎向力P呈線(xiàn)性關(guān)系，豎向力的加大對(duì)彎矩的減小作用明顯；拱片和混凝土梁間加載的豎向力P間距越小，越靠近跨中布置，對(duì)彎矩的減小越明顯；豎向力P作用范圍內(nèi)混凝土梁各截面彎矩減小較作用范圍外各截面明顯。

(5)采用本文提出的主動(dòng)加固方法后，混凝土梁跨中彎矩減少35%以上，帶來(lái)可觀的工程效益。