大挑臂預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的加固設(shè)計

朱世峰

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 工程概述及加固原因

本案例為某一工程在施工過程中的一座兩跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，橋梁全長60.0 m，跨徑布置為：30 m+30 m。該處連續(xù)梁橋為標(biāo)準(zhǔn)8車道寬度的連續(xù)梁橋，橋?qū)?0.5 m，箱梁頂寬30.2 m，底寬7.5 m，梁高2.4 m。箱梁頂板厚0.22 m，底板厚0.2～0.35 m，腹板厚0.4～0.7 m。其標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造及鋼束見圖1、圖2。

該橋當(dāng)初已完成箱梁混凝土的澆筑，并已完成預(yù)應(yīng)力束的張拉及灌漿，但由于箱梁頂板混凝土的試塊強(qiáng)度未能達(dá)到設(shè)計要求的C50，無法滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

考慮到現(xiàn)場的實際情況，為不影響工程的施工工期，保證工程能按時完工通車，并在該聯(lián)箱梁實際混凝土的強(qiáng)度基本達(dá)到C40的前提下，為保證工程質(zhì)量安全，進(jìn)一步減少損失，故對該聯(lián)箱梁進(jìn)行加固處理：

（1）由于施工造成原因，箱梁頂板混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計C50要求。

（2）通過增加橋面鋪裝厚度，并增加鋪裝層鋼筋，從構(gòu)造上加強(qiáng)橋面鋪裝和箱梁頂板的聯(lián)結(jié)，精心加固后原橋能滿足承載能力和使用功能的要求。

（3）在墩頂附近區(qū)域進(jìn)行鉆芯取樣，混凝土品質(zhì)符合要求且強(qiáng)度達(dá)到C40的前提下，加固設(shè)計單位對方案細(xì)化并提出具體施工規(guī)范要求。

（4）建議成橋后通過荷載試驗對橋梁結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行評判。

2 加固方案依據(jù)

（1）混凝土非破損檢測報告；

（2）施工圖設(shè)計圖紙；

（3）國家及行業(yè)的有關(guān)規(guī)劃、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。

3 加固方案采用的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

3.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22－2008）

《公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T J23－2008）

《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB50367－2006）

《城市橋梁設(shè)計準(zhǔn)則》（CJJ 11-93）

《城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 77-98）

《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)

《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTJ 004-89)

《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTG D81-2006)

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D81-2006)

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2002)

《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2004）

3.2 橋梁工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 荷載等級

主線高架及匝道：城—B級。

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)斷面

0.5 m（防撞欄桿）+14.5 m（機(jī)動車道）+0.5 m

圖1 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造圖（單位：mm）

圖2 標(biāo)準(zhǔn)鋼束圖（單位：mm）

（防撞欄桿）+14.5 m（機(jī)動車道）+0.5 m（防撞欄桿）=30.5 m。

3.2.3 橋面縱坡與橫坡

橋面縱坡、平曲線、豎曲線按道路線型要求設(shè)置。橋面橫坡為雙向2%橫坡。

3.2.4 抗震要求

本工程地區(qū)屬地震基本烈度7度區(qū),地震動峰值加速度0.1 g，重要性修正系數(shù)1.3。

3.2.5 防撞護(hù)欄的防撞等級

高架外側(cè)防撞護(hù)欄等級取用SB級，中央防撞隔離欄取用SBm級。

3.2.6 結(jié)構(gòu)安全等級

本工程橋梁結(jié)構(gòu)安全等級為一級，γ0＝1.1。

3.2.7 環(huán)境類別

環(huán)境類別為I類。

4 加固原則

（1）所選用的加固方案應(yīng)確保該橋梁在加固后滿足承載能力和使用功能。

（2）在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，加固方案充分考慮現(xiàn)場實際施工操作的可能性，力求簡便有效。

（3）所采用的加固方案不影響橋梁結(jié)構(gòu)本身原有的外觀。

（4）加固方案應(yīng)盡可能不損傷原結(jié)構(gòu)，避免不必要的拆除及更換，防止加固中造成新的結(jié)構(gòu)損傷或病害。

（5）一般橋梁加固可選用增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法及改變結(jié)構(gòu)體系加固法等，本次加固方案根據(jù)本橋的實際情況采用的增大截面加固法，按組合式構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計。

5 主要材料

（1）混凝土

上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁：頂板C40，其它：C50，混凝土橋面鋪裝：C50。

（2）鋼筋

R235鋼筋、HRB335鋼筋。

（3）錨栓

M18不銹鋼錨栓，性能等級80。

6 加固方案

6.1 加固部位

根據(jù)計算由于頂板混凝土的標(biāo)號未達(dá)到設(shè)計要求的C50，故需對箱梁頂板及挑臂進(jìn)行加固。原設(shè)計主梁應(yīng)力見圖3～圖7。

圖3 一期恒載+預(yù)應(yīng)力（單位：MPa）

圖4 一期恒載+二期恒載+預(yù)應(yīng)力（單位：MPa）

圖5 活載最大（單位：MPa）

圖6 活載最小（單位：MPa）

圖7 荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合主梁上，下緣最大壓了圖（MPa）

6.2 加固方案

（1）箱梁頂板的疏松表面層及附著的水泥砂漿應(yīng)清除干凈，并對箱梁頂板表面應(yīng)鑿成凹凸差不小于6 mm的粗糙面。

（2）本橋原設(shè)計為60 mmC50混凝土鋪裝加100 mm瀝青混凝土鋪裝（40 m OGFC－13＋6 mm稀漿封層＋55 mmAC－20C＋5 mm同步碎石封層），加固方案按組合式構(gòu)件考慮，在加固計算過程中分別按C50混凝土鋪裝為80 mm及100 mm進(jìn)行，根據(jù)計算，最終采用橋面鋪裝C50混凝土鋪裝為100 mm。故C50混凝土鋪裝由原鋪裝厚度60 mm改為100 mm，相應(yīng)瀝青混凝土鋪裝由原100 mm改為 80 mm（40 mOGFC－13+6 mm稀漿封層+35 mmAC－20C+5 mm同步碎石封層），道路縱斷面需進(jìn)行局部調(diào)整。

（3）C50混凝土鋪裝層中鋼筋網(wǎng)片在原設(shè)計D8的鋼筋網(wǎng)片基礎(chǔ)上，需再鋪設(shè)Φ16@100的鋼筋網(wǎng)片。

（4）挑臂段處的C50混凝土鋪裝層中須另外布置Φ22鋼筋，間距@100。

（5）箱梁頂板與C50混凝土鋪裝之間采用M18不銹鋼錨栓（性能等級80）連接，錨栓間距原則上采用@500，錨栓的位置應(yīng)避開預(yù)應(yīng)力束及鋼筋，若實際施工時錨栓位置無法避讓預(yù)應(yīng)力束及鋼筋，則須采用鋼筋連接，在此情況下，應(yīng)鑿出箱梁頂板鋼筋，并采用鋼筋分別與箱梁頂板鋼筋和C50混凝土鋪裝中的Φ16@100的鋼筋焊接。

（6）為加強(qiáng)兩者之間連接的可靠度，箱梁頂板與C50鋪裝之間還需采用膠黏劑，膠黏劑為A級膠，其性能要求見表1。

表1 性能要求匯總表

另外，膠黏劑可施膠時間（膠黏劑保持工作性能的時間）不應(yīng)小于20 min，可黏結(jié)時間（自膠黏劑涂在混凝土起，至固化失去黏結(jié)性的時間）不應(yīng)小于60 min。

膠黏劑應(yīng)進(jìn)行毒性檢驗，對完全固化的膠黏劑，其檢驗結(jié)果應(yīng)符合實際無毒衛(wèi)生等級。不得使用乙二胺作為改性環(huán)氧樹脂的固化劑，不得在其中摻入揮發(fā)性有害溶劑和非反應(yīng)性稀釋劑。

膠黏劑應(yīng)由有資質(zhì)的專業(yè)隊伍配置和施工，并先做材料及工藝試驗。

（7）由于本次新澆的C50混凝土鋪裝厚度較薄，橋面鋪裝C50混凝土應(yīng)調(diào)整其配合比，可采用微膨脹混凝土或自密實混凝土，以減小其收縮，并應(yīng)在施工前進(jìn)行試配，做好級配及工藝試驗，檢驗其強(qiáng)度、抗干縮性及耐腐蝕性。

（8）在C50混凝土鋪裝層和瀝青混凝土鋪裝之間鋪設(shè)纖維防水層。

6.3 加固

加固示意見圖8～圖12。

圖8 加固層內(nèi)鋼筋大樣1

圖9 加固層內(nèi)鋼筋大樣2

圖10 新老混凝土結(jié)合面抗剪鋼筋布置圖（新老混凝土結(jié)合面采用φ16作為抗剪鋼筋）

圖11 d=18.80級錨栓立面新（新老混凝土結(jié)合面采用錨栓作為抗剪鋼筋）

圖12 d=18.錨栓墩頂位置布置圖（錨栓避讓預(yù)應(yīng)力鋼束管道示意圖）

6.4 加固后措施

本橋加固后還應(yīng)采取以下措施：

（1）在該橋加固后運(yùn)營前需進(jìn)行橋梁荷載試驗，以確保橋梁使用的安全性。

（2）該橋運(yùn)營后，相關(guān)單位應(yīng)加強(qiáng)對該橋的養(yǎng)護(hù)及監(jiān)測。

7 加固計算及原則

7.1 加固計算原則

（1）本次橋梁加固按組合式構(gòu)件考慮。

（2）橋梁加固時，應(yīng)考慮分階段受力，在新加材料與原結(jié)構(gòu)未有效結(jié)合前，其恒載（含新加材料重量）由原結(jié)構(gòu)截面承擔(dān)；有效結(jié)合后施加的荷載（恒載、活載、附加載）由加固后的組合截面承擔(dān)。

（3）在不同受力階段，截面變形符合平截面假定。

（4）箱梁頂板混凝土強(qiáng)度按C40考慮。

7.2 加固計算

本橋加固按組合式構(gòu)件考慮，在加固計算過程中分別按C50混凝土鋪裝為8 cm及10 cm進(jìn)行，根據(jù)計算，最終采用C50混凝土鋪裝為10 cm，計算有效高度為6 cm。

7.2.1 設(shè)計荷載

（1）恒載

一期恒載：預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土容重γ=26 kN/m3。

二期恒載：鋼筋混凝土加固層100 mm，γ=25 kN/m3；瀝青混凝土鋪裝 60 mm，γ=24 kN/m3。

兩側(cè)防撞護(hù)欄15 kN/m/側(cè)，中央防撞護(hù)欄10 kN/m。

（2）活荷載

主線高架橋梁按城－B級進(jìn)行計算。

橫向折減系數(shù)：

30.5 m橋?qū)?雙向八車道折減系數(shù)0.55，并與二車道、三車道相比較；

箱形連續(xù)梁考慮活載扭矩影響偏載系數(shù)取：1.15；

沖擊系數(shù)：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.2條計算。

（3）預(yù)應(yīng)力

控制張拉力：鋼絞線：σcon＝0.75 fpk；σcon為錨下控制應(yīng)力（即計算輸入應(yīng)力）。

管道與工藝：預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁；鋼絞線：預(yù)埋塑料波紋管及真空壓漿工藝，μ＝0.15，k＝0.001 5，松弛系數(shù)0.3。

（4）混凝土徐變及收縮的影響

混凝土收縮應(yīng)變終極值和徐變系數(shù)：按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）表6.2.7取用。

階段混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)：按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）附錄F提供的方法計算。

先澆主梁與后澆加固層之間混凝土收縮差根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22-2008）第5.2.2條，按降溫15℃考慮。

（5）溫度影響（T）

體系升溫：30℃；體系降溫：30℃；合攏段溫度15℃正負(fù)5℃。

橋面板局部升降溫：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.10條梯度溫度效應(yīng)計算。升溫：T1＝14℃，T2＝5.5℃，降溫：T1＝7℃，T2＝2.75℃。

（6）風(fēng)荷載

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.7條計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

（7）基礎(chǔ)變位影響

連續(xù)結(jié)構(gòu)縱向不均勻沉降：10 mm；橫向不均勻沉降：5 mm。

（8）施工荷載

施工過程中的自重、施工機(jī)械、臨時荷載和其它橋面荷載。

7.2.2 荷載組合以及應(yīng)力控制

采用極限狀態(tài)設(shè)計，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)計算，同時滿足構(gòu)造規(guī)定和工藝要求。箱梁縱向采用全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件控制設(shè)計。加固層按作用短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響進(jìn)行裂縫寬度驗算：最大裂縫寬度不大于0.2 mm（Ⅰ類環(huán)境）。

（1）主梁計算

a.主梁計算模型

采用橋梁博士計算軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，后澆加固層采用橋梁博士中附加截面進(jìn)行模擬。離散的結(jié)構(gòu)模型見圖13。

圖13 計算模型

b.主梁計算結(jié)果

成橋后，正常使用階段，各種荷載工況的主梁應(yīng)力圖如下所述。

第一，抗裂驗算

按 JTG D60-2004第 4.1.7條進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)下作用短期效應(yīng)以及作用長期效應(yīng)組合。永久作用按標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)取用，可變作用按頻遇值效應(yīng)取用。汽車荷載效應(yīng)不計沖擊系數(shù)。

按 JTG D62-2004第 6.3.1條全預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)場澆筑構(gòu)件在作用短期效應(yīng)組合下混凝土正截面法向拉應(yīng)力驗算應(yīng)符合σst-0.85σpc≤0，主梁混凝土段箱梁結(jié)構(gòu)載荷載短期效應(yīng)組合下混凝土正截面最小應(yīng)力滿足規(guī)范的要求，見圖14。

圖14 荷載短期效應(yīng)組合下主梁最小正應(yīng)力包絡(luò)圖（包括新老混凝土收縮差效應(yīng)）（單位：MPa）

全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件現(xiàn)場澆筑構(gòu)件在作用短期效應(yīng)組合下混凝土主拉應(yīng)力驗算應(yīng)符合σtp≤0.4 ftk=0.4×2.4=0.96 MPa，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)在荷載短期效應(yīng)組合下，計算得到的混凝土箱梁截面最大主拉應(yīng)力0.9 MPa<0.96 MPa，滿足規(guī)范的要求，見圖15。

圖15 荷載短期效應(yīng)組合下主梁主拉應(yīng)力包絡(luò)圖（包括新老混凝土收縮差效應(yīng)）（單位：MPa）

第二，持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算

照規(guī)范的規(guī)定，壓應(yīng)力限值為 0.5 fck=0.5×26.8=13.4 MPa。主梁混凝土箱梁計算得到的最大壓應(yīng)力為13.4 MPa≤0.5 fck，滿足規(guī)范的要求，見圖 16、圖 17。

圖16 荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合主梁上、下緣最大壓應(yīng)力圖（包括新老混凝土收縮差效應(yīng)）（單位：MPa）

圖17 荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合主梁最大主壓應(yīng)力圖（包括新老混凝土收縮差效應(yīng)）（單位：MPa）

使用階段箱梁斜截面混凝土主應(yīng)力驗算，按照規(guī)范的規(guī)定，主壓應(yīng)力限值為 0.6 fck=0.6×26.8=16.1 MPa。計算混凝土最大壓應(yīng)力13.4 MPa<0.6 fck，滿足規(guī)范要求。

第三，承載能力極限狀態(tài)計算

按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）的有關(guān)規(guī)定，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力基本組合強(qiáng)度驗算，計算結(jié)果見圖18、圖19。

（2）加固層配筋計算

為了限制加固層裂縫寬度，保證結(jié)構(gòu)耐久性，加固層內(nèi)設(shè)置橫向間距為100 mm、直徑為18 mm的HRB335縱向鋼筋，加固層裂縫寬度為0.12 mm<0.2 mm，滿足規(guī)范要求，見圖20。

圖18 最大抗力和最大抗力對應(yīng)的內(nèi)力（包括新老混凝土收縮差效應(yīng)）（單位：MPa）

圖19 最小抗力和最小抗力對應(yīng)的內(nèi)力（包括新老混凝土收縮差效應(yīng)）（單位：MPa）

圖20 荷載短期效應(yīng)組合下主梁最小正應(yīng)力包絡(luò)圖（包括新老混凝土收縮差效應(yīng)）（單位：MPa）

（3）懸臂配筋計算

加固層內(nèi)懸臂部位設(shè)置縱向間距為100 mm、直徑為22 mm的HRB335橫向鋼筋，經(jīng)計算加固層裂縫寬度為0.13 mm<0.2 mm，滿足規(guī)范要求。

（4）新老混凝土結(jié)合面抗剪能力

a.收縮剪應(yīng)力

先澆主梁與后澆加固層之間混凝土收縮差根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22-2008）第5.2.2條，按降溫15℃考慮。新老混凝土收縮差在加固層和主梁中產(chǎn)生的效應(yīng)見圖21～圖24。

圖21 新老混凝土收縮差效應(yīng)下加固層上緣正應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖22 新老混凝土收縮差效應(yīng)下加固層下緣正應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖23 新老混凝土收縮差效應(yīng)下主梁上緣正應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖24 新老混凝土收縮差效應(yīng)下主梁下緣正應(yīng)力圖

新老混凝土收縮在新老混凝土結(jié)合面產(chǎn)生的剪力集中在梁端，最大剪應(yīng)力為0.37 MPa。

b.承載能力極限狀態(tài)荷載組合在新老混凝土結(jié)合面產(chǎn)生的剪應(yīng)力

梁端剪力γovd=14 202 kN,梁端剪應(yīng)力為0.37 MPa。

中支點剪力γovd=23 159 kN,中支點剪應(yīng)力為0.71 MPa。

c.剪應(yīng)力合計

梁端剪應(yīng)力為0.74 MPa。

中支點剪應(yīng)力為0.71 MPa。

d.新老混凝土結(jié)合面抗剪能力

根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22-2008）第5.4.1條計算新老混凝土結(jié)合面抗剪能力，新老混凝土結(jié)合面的構(gòu)造需滿足《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22-2008）第 5.5.1、第 5.5.2、第5.5.5條的規(guī)定。

采用縱橫向間距為500mm、雙肢直徑為16mm的HRB335鋼筋時，新老混凝土結(jié)合面抗剪能力為3.03 MPa，滿足要求。

采用縱橫向間距為500 mm、直徑為18 mm的80級不銹鋼錨栓時，新老混凝土結(jié)合面抗剪能力為2.88 MPa，滿足要求。

7.3 結(jié)論

該橋通過加固后能滿足橋梁的使用要求。