許慧

（中鐵一局集團(tuán)有限公司廣州分公司）

0 引言

受過往技術(shù)的局限，目前建設(shè)年代較早的高速公路舊橋箱梁懸臂結(jié)構(gòu)普遍存在以下問題：舊橋箱梁懸臂承載能力不足或裂縫寬度超限；箱梁懸臂的長度普遍較長，結(jié)構(gòu)尺寸偏小，配筋偏弱；舊橋護(hù)欄防撞等級低，護(hù)欄高度不足，難以保障高速公路上的行車安全。因此對舊橋箱梁懸臂現(xiàn)狀改造利用舊路的改造工程，迫在眉睫。

目前對舊箱梁懸臂結(jié)構(gòu)的改造通常采用的方法包括：①將懸臂部分或整體拆除，然后重新進(jìn)行建造；②在箱梁懸臂結(jié)構(gòu)上加設(shè)加固支承結(jié)構(gòu)。

以上兩種加固結(jié)構(gòu)雖然加固效果良好，但由于施工過程與操作全程位于懸臂下緣，因而在施工過程中需要借助一定的大型施工設(shè)備才能完成，在一定程度上制約施工的效率，無法滿足快速改造的需求。

本文結(jié)合沈陽至?？趪腋咚俟逢柦撩蔚膬勺B續(xù)梁箱梁的懸臂結(jié)構(gòu)加固改造，提出一種公路橋梁懸挑結(jié)構(gòu)的改造加固方法，該方法的施工位置主要位于箱梁頂以及橋面之上，施工過程簡單，無需依賴大型施工設(shè)備，能夠加快施工效率，并且加固后的承載能力提高明顯，能適應(yīng)公路發(fā)展的需求。

1 工程概況

本工程項(xiàng)目為沈陽至?？趪腋咚俟逢柦撩胃臄U(kuò)建項(xiàng)目，由于交通流量的增長，目前公路道路寬度不足以支撐區(qū)域交通發(fā)展，需要對原有道路進(jìn)行拓寬為雙向八車道設(shè)計(jì)。原舊橋設(shè)計(jì)為：陽陽鐵路跨線橋（17+27+20+12.268m），南水河大橋（3×20+2×25+2×20）m，主線原橋面28m，雙向四車道設(shè)計(jì)。拼寬橋設(shè)計(jì)為：采用在舊路兩側(cè)拼接加寬的方式進(jìn)行改擴(kuò)建，對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修加固與新橋上部結(jié)構(gòu)拼接，下部結(jié)構(gòu)保持分離的方式進(jìn)行拓寬。將舊橋中分帶內(nèi)側(cè)護(hù)欄調(diào)整為SAm級F型墻式護(hù)欄。舊橋箱梁長懸臂標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 舊橋箱梁長懸臂標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

2 改造前的懸挑結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析

舊橋懸臂采用C40混凝土，護(hù)欄采用C30混凝土，其性能參數(shù)按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018）有關(guān)規(guī)定確定。舊橋懸臂上下緣分別布置直徑為16mm 和12mm 的HRB335 普通鋼筋，其性能參數(shù)按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）有關(guān)規(guī)定確定。防撞護(hù)欄按荷載和按結(jié)構(gòu)參與受力兩種情況來分析受力狀況。

2.1 護(hù)欄按荷載參與結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

車輛活載計(jì)算按車輪作用平行于懸臂板跨徑方向的車輪著地尺寸的外緣，通過鋪裝層45°分布線的外邊線至腹板外邊緣的距離lc=2.15m，符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018）第4.2.5條的規(guī)定。荷載恒載計(jì)算如表1所示，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）的規(guī)定，基本組合下，按“1.2×恒載+1.8×（1+0.3）×活載”荷載組合下的計(jì)算懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)力，內(nèi)力計(jì)算如表2所示。

表1 荷載恒載計(jì)算

表2 內(nèi)力計(jì)算

每延米懸臂板寬度內(nèi)，上緣鋼筋8 根，下緣鋼筋7根，得到截面抗彎承載力約為-168kN·m，抗彎承載能力不滿足規(guī)范要求，欠缺約6.44%。矩形截面受彎構(gòu)件計(jì)算 截 面 剪 力 為105.45kN，小 于0.50 × 10-3a2ftdbh0= 316.8kN，可不進(jìn)行斜截面抗剪承載力的驗(yàn)算。按橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，正常使用極限狀態(tài)下，截面上緣的裂縫寬度約為0.264mm，超過規(guī)范容許裂縫寬度0.2mm，不能滿足規(guī)范要求。

2.2 護(hù)欄按結(jié)構(gòu)參與受力計(jì)算

采用有限元軟件ANSYS 建立了舊橋懸臂在護(hù)欄更換后的計(jì)算模型。懸臂結(jié)構(gòu)及護(hù)欄結(jié)構(gòu)均采用solid45 單元模擬，結(jié)構(gòu)自重按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸進(jìn)行計(jì)算，鋼筋混凝土材料的容重取為26kN/m3。同時(shí)，計(jì)入橋梁中分帶處蓋板重量，蓋板高度以8cm 計(jì)入。橋面鋪裝采用10cm 厚瀝青混凝土，瀝青混凝土材料的容重取為24 kN/m3。采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中的車輛荷載，并計(jì)入沖擊系數(shù)0.3。

計(jì)算舊橋側(cè)懸臂根部截面，截面的縱橋向長度取為1m，提取截面高度上各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果?；窘M合下，模型的應(yīng)力分布情況如圖2、圖3所示。舊橋懸臂根部截面位置上緣受拉，最大拉應(yīng)力值約為5.42MPa；下緣受壓，最大壓應(yīng)力值約為4.68MPa。

圖2 舊橋懸臂上緣應(yīng)力分布（單位：Pa）

圖3 舊橋懸臂下緣應(yīng)力分布（單位：Pa）

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，采用荷載組合“1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.8×(1+0.3)×活載”，得到截面在各工況下的承載能力驗(yàn)算，如表3所示。

表3 承載能力驗(yàn)算

計(jì)算結(jié)果表明，舊橋側(cè)懸臂根部截面的承載能力不滿足相關(guān)規(guī)范要求，欠缺約7.98%。

綜合將護(hù)欄作為荷載考慮和將護(hù)欄作為結(jié)構(gòu)考慮兩種情況的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，懸臂根部的承載能力均不滿足規(guī)范要求。

3 基于高性能混凝土加固懸挑結(jié)構(gòu)的加固方法

箱梁翼緣板的承載力不足，主要原因?yàn)橐砭壈屙敳吭械钠胀ㄤ摻钆浣盥蔬^低、翼緣板根部尺寸偏小。一般可采用頂部粘貼鋼板解決此問題，但是粘貼鋼板加固后，與橋面瀝青鋪裝的粘結(jié)性差，易出現(xiàn)橋面病害。本項(xiàng)目采用了一種基于高性能混凝土與普通混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)加固方法。高性能混凝土有超強(qiáng)的抗拉能力以及與普通混凝土和橋面瀝青鋪裝的良好粘結(jié)性能，可以很好地解決翼緣板承載力不足的問題，且其具備免高溫蒸汽養(yǎng)生的性能。該方法可利用舊橋懸臂，不改變橋面鋪裝形式，在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行加固。具體方法為：先刨除瀝青砼鋪裝層，再鑿除箱梁頂板2cm 砼，鋪設(shè)10×10mm 的鋼筋網(wǎng)，在挑臂390cm（根據(jù)計(jì)算需要可調(diào)整）上表面鋪設(shè)6～8cm 厚的高性能混凝土。該改造加固方法的施工位置主要位于箱梁頂以及橋面之上，施工過程簡單，無需依賴大型施工設(shè)備，能夠加快施工效率，并且加固后的承載能力提高明顯。箱梁懸臂加固護(hù)欄改造一般構(gòu)造和鋼筋構(gòu)造布置圖如圖4、如圖5所示。

圖4 箱梁懸臂加固護(hù)欄改造一般構(gòu)造示意圖（單位：cm)

圖5 箱梁懸臂加固護(hù)欄改造鋼筋構(gòu)造布置示意圖（單位：cm)

3.1 懸臂結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算和裂縫寬度分析

3.1.1 材料參數(shù)

舊橋懸臂采用C40 混凝土，其性能參數(shù)按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018）有關(guān)規(guī)定確定。

舊橋懸臂上下緣分別布置直徑為16mm的HRB335普通鋼筋，高性能混凝土中布置直徑為12mm 的HRB400 普通鋼筋。其性能參數(shù)按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）有關(guān)規(guī)定確定。

根據(jù)上文“改造前的懸挑結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析計(jì)算結(jié)果”，計(jì)算內(nèi)力效應(yīng)，疊加高性能混凝土重量，得到板端最終效應(yīng)值為188.84kN.m/m。

3.1.2 有限元計(jì)算分析

采用非線性有限元軟件ABAQUS 建立混凝土懸臂板和高性能混凝土加固板計(jì)算模型，普通混凝土和高性能混凝土使用C3D8R 單元模擬，鋼筋使用T3D2 單元模擬。高性能混凝土和加固板有限元模型如圖6 所示。在均布荷載作用下，使用混凝土懸臂板加固懸臂板模型正應(yīng)力分布情況如圖7所示。

圖6 高性能混凝土和加固板計(jì)算模型

圖7 混凝土懸臂板和加固板應(yīng)力圖

⑴加固板使用C40混凝土

不同加載時(shí)間時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)鐖D8所示：

根據(jù)圖8可以得出：

圖8 混凝土懸臂板加固計(jì)算結(jié)果

加載至0.4s 時(shí)，均布荷載值為24kN/m2，固定端彎矩為87.84kN·m/m，混凝土加固板開始出現(xiàn)裂縫。

加載至0.6s 時(shí)，均布荷載為36kN/m2，固定端彎矩為131.22kN·m/m，混凝土懸臂板開始產(chǎn)生裂縫。

加載至1.7s 時(shí)，均布荷載為102kN/m2，固定端彎矩為371.79kN·m/m，此時(shí)混凝土懸臂板底部被壓碎且鋼筋開始屈服。

⑵加固板使用高性能混凝土

在均布荷載作用下，使用高性能混凝土板加固懸臂板模型正應(yīng)力分布情況如圖9所示。

圖9 高性能混凝土加固板正應(yīng)力

不同加載時(shí)間時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)鐖D10所示：

根據(jù)圖10可以得出：

圖10 高性能混凝土板加固懸臂板計(jì)算結(jié)果

加載至1.25s 時(shí)，均布荷載值為68.86N/m2，固定端彎矩為251.00kN·m/m，開始出現(xiàn)裂縫。

加載至1.75s 時(shí)，均布荷載為103.78kN/m2，固定端彎矩為378.28KN·m/m，此時(shí)高性能混凝土開始產(chǎn)生裂縫。

加載至2.45s 時(shí)，均布荷載為143.73kN/m2，固定端彎矩為523.445kN·m/m，此時(shí)混凝土懸臂梁下端被壓碎。

加載至2.55s 時(shí)，均布荷載為148kN/m2，固定端彎矩為537.962kN·m/m，此時(shí)懸臂板和高性能混凝土中的鋼筋均出現(xiàn)屈服。

3.2 驗(yàn)算結(jié)果

⑴使用高性能混凝土加固的懸臂板，彎矩達(dá)到251kN·m/m 時(shí)混凝土才會出現(xiàn)裂縫，相對于使用普通混凝土加固的懸臂板，出現(xiàn)裂縫時(shí)的彎矩大了三倍。說明使用高性能混凝土加固可以增強(qiáng)混凝土的抗裂能力，極限抗力是普通混凝土材料加固的1.45 倍，極大地增加了極限承載能力。

⑵在短期組合荷載作用下板端彎矩為92.85kN·m/m，而使用高性能混凝土加固后，懸臂板在彎矩達(dá)到251kN·m/m 時(shí)才會出現(xiàn)裂縫。說明在短期荷載作用下，用高性能混凝土加固懸臂板并未出現(xiàn)裂縫，能夠大幅度提高耐久性能。

⑶使用高性能混凝土加固后懸臂板極限承載力為537.962kN·m/m，是基本組合荷載效應(yīng)的2.8 倍，具有充分的抗力富余。

綜上所述，懸臂板采用高性能混凝土加固方式，懸臂板的承載能力和抗裂能力明顯提高。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目在利用舊橋懸臂和不改變橋面鋪裝形式的前提下，基于高性能混凝土與普通混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)的加固方法，取得了良好的施工和經(jīng)濟(jì)效果，可為今后同類型橋梁的加固設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。