張國(guó)強(qiáng) 惠小磊 謝 丹

（1、西安公路研究院有限公司，陜西 西安 710065 2、陜西交控市政路橋集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065 3、陜西西公院工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，陜西 西安 710065）

隨著我國(guó)基建行業(yè)的蓬勃發(fā)展，交通量實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的跨越，當(dāng)前有許多修建較早的橋梁或多或少都存在著設(shè)計(jì)荷載的標(biāo)準(zhǔn)低、承載的能力不足、橋梁的構(gòu)件出現(xiàn)了嚴(yán)重破損等問(wèn)題。這些橋梁技術(shù)狀況比較差、存在著許多潛在安全隱患，因此，為了進(jìn)一步消減潛在的安全隱患，將公路橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)維持在穩(wěn)定、高水平的條件下，就需要選用合適的加固技術(shù)來(lái)予以保障。作為一類通過(guò)附加預(yù)應(yīng)力索來(lái)改善預(yù)應(yīng)力缺陷問(wèn)題的加固技術(shù)，體外預(yù)應(yīng)力加固在我國(guó)公路橋梁工程建設(shè)中的研究目前仍處于較為初級(jí)的階段[1，2]。因此體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在我國(guó)工程實(shí)際中的應(yīng)用還不成熟，依然有很長(zhǎng)的路要走，所以未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化、深入化和程序化的研究，從而實(shí)現(xiàn)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展應(yīng)用走向新的高度。

1 工程概況

本文以我國(guó)某大橋?yàn)槔归_(kāi)分析，該橋梁的中心樁號(hào)為K662+200，項(xiàng)目全長(zhǎng)約463m，橋梁跨徑采用13×35m 的設(shè)計(jì)方案，借助工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)吊裝的方式完成施工。根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知該項(xiàng)目橋面設(shè)計(jì)寬度約為25.5m，其中防撞欄采用0.5m 的設(shè)計(jì)寬度，行車道采用11.25m的設(shè)計(jì)寬度；橋面鋪裝層選擇瀝青混凝土材料完成施工，沿橋梁全線共設(shè)有5 道伸縮縫。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)而言，采用箱形截面梁設(shè)計(jì)，材料為預(yù)應(yīng)力混凝土，結(jié)構(gòu)分為左右兩幅，每幅每跨橫向布置4 片預(yù)制箱梁，支座選擇板式橡膠支座。對(duì)于下部結(jié)構(gòu)而言，橋臺(tái)設(shè)計(jì)以多柱框架式為主；空心板以及橋臺(tái)、墩柱、蓋梁所用混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為C50、C40；支座選擇板式橡膠支座。

計(jì)算K662+200 某大橋承載能力，確定橋梁加固方案。上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算參照相關(guān)規(guī)范及其他我院其他同類型建成橋梁項(xiàng)目；本文采用Midas Civil 有限元分析軟件完成上部結(jié)構(gòu)的承載能力驗(yàn)算，驗(yàn)算過(guò)程以A 類預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)。試算預(yù)應(yīng)力損失來(lái)模擬主梁開(kāi)裂，計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)狀況下橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，擬定初步加固方案。

2 結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算

2.1 地質(zhì)水文條件

本文所選擇的工程橋址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，其中部分基坑中存在一定厚度的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，其力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較差，因此在計(jì)算的時(shí)候土質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土，考慮最不利工況情況下，該Midas Civil 的基坑模型中，土層設(shè)置為三層，依次是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土以及持力層，各土層的力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 土層力學(xué)參數(shù)表

2.2 主要材料

2.2.1 混凝土

根據(jù)上文可知，在本項(xiàng)目中主梁的材料為C50 混凝土。在Midas Civil 中定義混凝土軸心抗壓、抗拉的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為32.4MPa、2.65MPa，定義抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.83MPa，根據(jù)實(shí)際材料選擇將混凝土彈性模量定義為3.45×104MPa。

定義混凝土剪切模量Gc 以0.4Ec 為標(biāo)準(zhǔn)，泊松比取為0.2，同時(shí)混凝土材料性質(zhì)定義中各項(xiàng)參數(shù)均應(yīng)滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.2.2 鋼筋

在本項(xiàng)目中所用的鋼筋以HRB400、HPB300 為主。在分析中選用（1×7）φs15.2mm 的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa。張拉預(yù)應(yīng)力所用錨具為夾片錨，同時(shí)也應(yīng)配備相應(yīng)的墊板及螺旋筋。普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋的主要技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的主要技術(shù)指標(biāo)（單位：MPa）

2.3 計(jì)算模型

本文工程實(shí)例橋設(shè)計(jì)安全等級(jí)指標(biāo)為一級(jí)，根據(jù)規(guī)范結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)為1.1。結(jié)構(gòu)的計(jì)算主要有包括永久荷載作用和可變荷載作用。其中永久荷載作用主要是結(jié)構(gòu)自重以及混凝土的收縮徐變作用。可變荷載作用主要是人群荷載和溫度荷載[3]。采用有限元軟件建模計(jì)算，模型如圖1。

圖1 Midas Civil 計(jì)算模型

3 驗(yàn)算結(jié)果

試算預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到40%附近時(shí)，主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大拉應(yīng)力大于C50 混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd=1.83MPa，此時(shí)即可認(rèn)定主梁發(fā)生嚴(yán)重的開(kāi)裂，圖3 為模擬現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)狀況下橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力結(jié)果。由圖2（a）、（b）可知，該橋承載能力缺失10～30%左右。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

4加固方案

針對(duì)橋梁現(xiàn)有病害及技術(shù)狀況，結(jié)合Midas Civil 驗(yàn)算的出的預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)一步提高橋梁壽命，提出以下建議：

4.1 增大截面與配筋加固工藝

這兩種工藝技術(shù)均需在梁體的底、側(cè)面布置適量的鋼筋并澆筑混凝土封面。實(shí)踐表明，該工藝可以增大梁截面的高度與配筋量，從而即可實(shí)現(xiàn)了大幅度提升混凝土橋梁承載力的目的。在進(jìn)行加固施工過(guò)程中必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土的表面進(jìn)行深度清理和打毛（如圖3），整個(gè)加固施工流程需在梁板的底部進(jìn)行。但由于此工藝不能夠有效地控制工程施工的質(zhì)量，因此一定程度上防礙了該項(xiàng)工藝的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用[4]。

圖3 混凝土表面鑿毛

4.2 粘貼鋼板或碳纖維布加固工藝

粘貼鋼板或碳纖維布加固工藝是通過(guò)專用粘結(jié)劑或錨栓技術(shù)來(lái)在原有結(jié)構(gòu)表面附加一層鋼板、纖維布等，以此來(lái)提升施工位置處的承載能力，消除原有的力學(xué)薄弱部位，確保附加的鋼板、纖維布能夠與受損的混凝土結(jié)構(gòu)形成的一個(gè)完好的受力整體，盡而可有效地提升原橋梁結(jié)構(gòu)的承載力。該加固工藝已經(jīng)逐漸的應(yīng)用在當(dāng)前橋梁加固施工當(dāng)中，并且也取得了非常好的加固成效。需要注意的是，碳纖維自身具有較為突出的脆性特征且對(duì)扛火能力薄弱，因此該加固工藝的推廣應(yīng)用范圍也有一定程度的限制[5]，如圖4。

圖4 粘貼鋼板加固

4.3 改變結(jié)構(gòu)受力體系加固工藝

改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)受力特性，能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力的傳導(dǎo)路徑，進(jìn)而保證混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)承載能力能夠得到更進(jìn)一步的提高。這一種加固工藝的推廣與應(yīng)用不但可大幅度提高整體結(jié)構(gòu)的承載能力，而且還可以很大程度避免了由于受力開(kāi)裂而引發(fā)的剛度減小等問(wèn)題，從而全方位提升了橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度。由于大多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)加固施工中很多都不會(huì)采用這種工藝，因?yàn)樗淖冊(cè)瓨蛄航Y(jié)構(gòu)受力體系不確定風(fēng)險(xiǎn)較大，因此該工藝的大規(guī)模推廣和應(yīng)用得到了制約[6]，如圖5。

圖5 簡(jiǎn)支變連續(xù)鋼筋構(gòu)造

4.4 體外預(yù)應(yīng)力加固工藝

體外預(yù)應(yīng)力加固工藝是一種通過(guò)在橋梁的主梁外側(cè)或箱部的內(nèi)側(cè)等受力部位，布設(shè)一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力筋，在施工流程中可根據(jù)不同狀況調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋的位置或者轉(zhuǎn)向，使其達(dá)到了增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力加固的作用和提高橋梁結(jié)構(gòu)承載力的目的。圖6 為整束式轉(zhuǎn)向器示意圖。作為目前我國(guó)公路橋梁加固中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)工藝之一，體外預(yù)應(yīng)力法對(duì)于大跨度連續(xù)梁體的加固表現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢(shì)性。

圖6 整束式轉(zhuǎn)向器示意圖

5 結(jié)論

本文以實(shí)際工程為例，采用Midas Civil 驗(yàn)算了體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)的有效，可以優(yōu)質(zhì)高效地為大橋提高承載能力。通過(guò)對(duì)比了原始橋梁的承載能力和現(xiàn)在承載能力，結(jié)果表明,Midas Civil 在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁接受承載能力驗(yàn)算中, 能夠準(zhǔn)確客觀的反應(yīng)橋梁的使用性能和穩(wěn)定性,應(yīng)廣泛推廣應(yīng)用。最后根據(jù)橋梁現(xiàn)狀，提出了五種加固措施，該研究可為類似工程提供參考依據(jù)。