梁志成

(山西省交通科學(xué)研究院，太原 030032)

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋憑借優(yōu)良的跨越能力和結(jié)構(gòu)性能、以及造價(jià)較低、施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，逐漸在大、中跨徑橋梁中得到廣泛應(yīng)用[1]。 由于設(shè)計(jì)承載力不足、施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等原因， 造成許多已建橋梁在運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)腹板開(kāi)裂、主梁下?lián)弦约跋淞毫芽p等病害，因此及時(shí)加固治理病害橋梁對(duì)維護(hù)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義[2]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于病害橋梁的加固方法展開(kāi)了大量研究[3-4]。如，趙慧君等[5]關(guān)于超強(qiáng)高韌性樹(shù)脂混凝土加固橋梁施工技術(shù)展開(kāi)研究， 通過(guò)超強(qiáng)高韌性樹(shù)脂混凝土在舊橋加固中的應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)其施工技術(shù)進(jìn)行了全面地驗(yàn)證、總結(jié)，并進(jìn)行加固效果分析，得出相應(yīng)結(jié)論。 陳亮等[6]關(guān)于某連續(xù)箱梁病害分析及維修加固展開(kāi)分析，針對(duì)橋梁病害，采用有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析給出了相應(yīng)的維修措施，橋梁維修加固后，經(jīng)通車前的荷載試驗(yàn)評(píng)定，驗(yàn)證了加固措施的效果，橋梁的使用性能得到恢復(fù)。 朱春東等[7]關(guān)于公路鋼橋梁橋面加固技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例展開(kāi)分析， 采用樹(shù)脂瀝青組合體系鋼橋面鋪裝和超高韌性混凝土輕型組合鋼橋面鋪裝兩類典型橋面鋪裝技術(shù)進(jìn)行加固修復(fù)，并對(duì)加固修復(fù)方案使用效果進(jìn)行了對(duì)比分析。 上述研究主要分析了混凝土加固方法、 箱梁病害治理及橋面鋪裝加固技術(shù)的實(shí)用效果， 而關(guān)于體外預(yù)應(yīng)力加固方法的研究還相對(duì)較少[8]。 基于此，針對(duì)出現(xiàn)承載力不足的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋采取體外預(yù)應(yīng)力加固方法進(jìn)行治理，全面分析了該方法的實(shí)際加固效果， 為以后類似橋梁加固研究提供有利參考。

1 工程概況

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)

以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)橋梁為例， 該橋全長(zhǎng)430m，跨徑布置為3×28m+46m+2×75m +42m+4×28m。 左右兩側(cè)為引橋部分，總長(zhǎng)196m，橋梁結(jié)構(gòu)為先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁橋，橋墩采用空心薄壁墩，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。 主橋跨徑為46m+2×75m+42m=234m，橋梁結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋， 上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室截面預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，頂板寬度為11.5m，底板寬度為5.75m， 翼緣板長(zhǎng)度為3.25m。 箱梁墩頂梁高5.2m， 中跨合龍段梁高為2.4m， 梁高按1.8 次拋物線變化，箱梁頂板底板厚為600mm，跨中段底板厚為230mm，頂板厚度為260mm。 橋面寬度為20.5m，車道設(shè)計(jì)為雙向四車道，橋面鋪裝為10cm 厚混凝土層+防水層+9cm 厚瀝青混凝土層，設(shè)計(jì)行車荷載為公路Ⅰ級(jí)，最高行車速度為80km/h，抗震強(qiáng)度為Ⅳ級(jí)。 橋梁總體布置如圖1 所示。

圖1 橋梁總體布置

1.2 病害分析

該橋采用懸臂澆筑法施工，澆筑節(jié)段共18 個(gè)，合龍施工段4 個(gè)，根據(jù)近期檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，橋梁主橋段出現(xiàn)以下病害：

(1) 主梁第二跨與第三跨跨中下?lián)铣潭冗_(dá)到10.4cm和12.7cm；

(2)主梁跨中腹板出現(xiàn)大量豎向裂縫，受彎裂縫呈上窄下寬分布，部分裂縫寬度達(dá)到0.3～0.4mm，超出規(guī)范上限值0.2mm；

(3)梁端腹板出現(xiàn)大量斜向裂縫，部分裂縫超過(guò)0.2mm，最大長(zhǎng)度達(dá)到75cm，鋼筋外露現(xiàn)象明顯。

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該公路自通車以來(lái)貨運(yùn)車輛、客運(yùn)車輛等重型車占比較大，而原橋設(shè)計(jì)承載力相對(duì)偏低，因此在長(zhǎng)期超重荷載作用下導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)以上病害特征，若不及時(shí)對(duì)橋梁腹板裂縫進(jìn)行加固治理， 將給橋梁正常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。

2 模型建立及承載力分析

2.1 有限元模型

為設(shè)計(jì)最佳橋梁加固治理方案， 現(xiàn)針對(duì)出現(xiàn)病害連續(xù)鋼構(gòu)橋承載力情況進(jìn)行建模分析， 通過(guò)運(yùn)用有限元軟件Midas Civil 建立連續(xù)鋼構(gòu)橋數(shù)值模型， 根據(jù)單元?jiǎng)澐忠?guī)則，主梁劃分單元178 個(gè)，主墩劃分單元48 個(gè)，全橋共包含226 個(gè)單元，352 個(gè)節(jié)點(diǎn)，橋梁有限元模型如圖2 所示。

圖2 橋梁有限元模型

計(jì)算過(guò)程中主要考慮以下荷載： 結(jié)構(gòu)自重+二期橫載；人群+行車荷載；箱梁溫度荷載；底板鋼束張拉荷載。原橋箱梁使用主要材料為C50 混凝土，橋墩采用C40 混凝土，樁基礎(chǔ)采用C30 混凝土，受拉鋼筋采用φ15.24 的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，其材料參數(shù)如表1 所示。

表1 主要材料參數(shù)

2.2 承載力分析

為了解橋梁承載力分布規(guī)律， 通過(guò)運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析軟件建立主橋病害段數(shù)值模型， 并針對(duì)主梁L/4、L/2、3L/4和中跨3#、4#墩頂截面的正截面抗彎承載力與斜截面抗剪承載力，以及中跨3#、4#墩頂與墩底承載力進(jìn)行核算：

主梁正截面抗彎承載力與斜截面抗剪承載力核算結(jié)果如圖3 所示：

圖3 主梁控制截面承載力

根據(jù)圖3 可知，橋梁出現(xiàn)病害后，主梁正截面抗彎承載力呈對(duì)稱分布，其中3#墩和4#墩控制截面的正截面抗彎承載力要遠(yuǎn)大于各跨跨中控制截面，3#墩和4#墩控制截面的正截面抗彎承載力為最大值，L/2 截面的抗彎承載力為最小值，L/4 和3L/4 截面抗彎承載力稍大于L/2 截面，說(shuō)明主梁各截面的抗彎承載力大小不是呈均勻分布，靠近主墩附近主梁抗彎承載力較大，如3#墩和4#墩控制截面的抗彎承載力均為1024652.64kN·m，靠近跨中附近主梁抗彎承載力較小， 如L/4、L/2 和3L/4 控制截面的抗彎 承 載 力 分 別 為261530.76kN·m、108944.34kN·m 和283130.41kN·m。 主梁斜截面抗剪承載力大致呈對(duì)稱分布，主梁左側(cè)斜截面抗剪承載力要稍大于主梁右側(cè)，其中L/4 和3L/4 截面抗剪承載力為較大值，3#墩和4#墩截面抗剪承載力為較小值，L/2 截面抗剪承載力要稍大于3#墩和4#墩截面， 說(shuō)明主梁斜截面抗剪承載力呈兩端較大， 中間較小分布，L/4、3#墩、L/2、4#墩和3L/4 主要截面抗剪承載力分別為3418kN·m、12kN·m、34kN·m、12kN·m及3185kN·m。

主墩承載力核算結(jié)果如圖4 所示：

圖4 主墩承載力

根據(jù)圖4 可知，橋梁出現(xiàn)病害后，橋梁3#墩和4#墩墩底及墩頂承載力分別為59261kN·m、62373kN·m、144217kN·m 及161342kN·m，其中3#墩和4#墩截面墩底承載力均要小于墩頂承載力，3#墩承載力要遠(yuǎn)小于4#墩承載力， 說(shuō)明在重車荷載作用下， 橋梁主墩局部受力較大。 綜合主梁及主墩主要控制截面承載力分布情況分析發(fā)現(xiàn)， 造成橋梁出現(xiàn)病害的主要原因是由于主梁局部截面抗彎承載力和抗剪承載力不足所致。

3 加固方案及承載力分析

3.1 加固方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)情況和出現(xiàn)病害橋段的實(shí)地勘測(cè)，以及對(duì)橋梁主梁及主墩承載力核算結(jié)果的綜合考慮，決定采用體外預(yù)應(yīng)力加固的方法對(duì)橋梁進(jìn)行加固治理，以提高橋梁整體承載能力： 在梁腹板兩側(cè)分別增設(shè)一根預(yù)應(yīng)力束，橋梁第二、三跨共布置8 根預(yù)應(yīng)力束，預(yù)應(yīng)力束標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa， 錨具張拉控制應(yīng)力為744MPa；增設(shè)錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力齒板，材料為C50 混凝土；對(duì)開(kāi)裂嚴(yán)重區(qū)域增設(shè)鋼橫梁，采用鋼板焊接鋼橫梁和轉(zhuǎn)向架；采用鋼板對(duì)梁端兩側(cè)腹板進(jìn)行抗剪加固。

3.2 承載力分析

為驗(yàn)證該加固方案的效果， 通過(guò)運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)加固后橋梁重新建模， 在新建模型中導(dǎo)入新增預(yù)應(yīng)力束及鋼橫梁等設(shè)計(jì)參數(shù)，核算時(shí)需考慮最不利效應(yīng)，并針對(duì)加固后主梁L/4、L/2、3L/4 和中跨3#、4#墩頂截面的正截面抗彎承載力與斜截面抗剪承載力，以及中跨3#、4#墩頂與墩底承載力進(jìn)行分析。

圖5 主梁控制截面承載力

主梁正截面抗彎承載力與斜截面抗剪承載力核算結(jié)果如圖5 所示：根據(jù)圖5 可知，加固后橋梁主梁L/4、3#墩、L/2、4#墩和3L/4 主要截面抗剪承載力分別為262784kN·m、1150031kN·m、127884kN·m、1145242kN·m 及272312kN·m，主梁正截面抗彎承載力分布規(guī)律與加固前大致相似，3#墩和4#墩控制截面的正截面抗彎承載力為最大值，L/2截面的抗彎承載力為最小值，L/4 和3L/4 截面抗彎承載力稍大于L/2 截面。主梁L/4、3#墩、L/2、4#墩和3L/4 主要截面抗剪承載力分別為5482kN·m、165kN·m、35kN·m、14kN·m 及4726kN·m，主梁斜截面抗剪承載力分布規(guī)律與加固前基本一致。

主墩承載力核算結(jié)果如圖6 所示：

根據(jù)圖6 可知，加固后橋梁3#墩和4#墩墩底及墩頂承載力分別為57378kN·m、59466kN·m、152921kN·m 及169418kN·m， 其中3#墩和4#墩截面墩底承載力均要小于墩頂承載力，3#墩承載力要遠(yuǎn)小于4#墩承載力， 說(shuō)明在重車荷載作用下，橋梁主墩局部受力較大。綜合主梁及主墩主要控制截面的承載力分布情況分析發(fā)現(xiàn)， 采用設(shè)計(jì)加固方案對(duì)橋梁進(jìn)行治理后， 主梁局部截面抗彎承載力和抗剪承載力以及主墩局部承載力均得到不同程度的提升。

圖6 主墩承載力

4 加固效果分析

通過(guò)對(duì)比分析加固前后橋梁主梁主要截面的抗彎承載力和抗剪承載力， 以及主墩關(guān)鍵截面的承載力分布規(guī)律及核算結(jié)果，得到該方案的實(shí)際加固效果匯總?cè)绫?、表3 所示。

表2 主梁承載力增大值及百分比

根據(jù)表2 可知，加固后主梁在3#墩、L/2 和4#墩截面處抗彎承載力分別提升了12.2%、17.3%及11.7%，抗彎承載力得到較大程度提升，L/4 截面處抗彎承載力提升程度較小，僅提升了0.47%，在3L/4 截面處抗彎承載力下降了3.82%，雖然主梁局部截面抗彎承載力有所下降，但該加固方案對(duì)提升主梁整體抗彎承載力效果比較顯著。 加固后主梁各關(guān)鍵截面抗剪承載力均得到不同程度提升，其中L/4 截面和3L/4 截面抗彎承載力提升效果達(dá)到60%和48.4%，效果非常明顯。

表3 主墩承載力增大值及百分比

根據(jù)表3 可知，加固后橋梁3#墩墩底和墩頂承載力分別下降了3.2%和4.7%，4#墩墩底和墩頂承載力分別提升了6%和5%，4#墩承載力提升值要遠(yuǎn)大于3# 墩承載力。綜合來(lái)看加固后橋梁主梁抗剪承載力、抗彎承載力及主墩承載力均得到一定程度改善，加固治理效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了某連續(xù)剛構(gòu)橋橋梁結(jié)構(gòu)， 以及橋梁病害特征，通過(guò)建模段對(duì)橋梁承載力分布規(guī)律進(jìn)行分析，探究了病害成因是由原橋設(shè)計(jì)承載力不足與主梁局部截面抗彎承載力和抗剪承載力下降所致。 針對(duì)病害成因設(shè)計(jì)采取增設(shè)預(yù)應(yīng)力束以及鋼橫梁的方案對(duì)橋梁進(jìn)行加固治理，加固后橋梁主梁抗彎承載力、抗剪承載力以及主墩承載力均得到較大程度提升， 表明該加固措施是提升連續(xù)剛構(gòu)橋承載力的有效手段，這對(duì)于提升橋梁承載力、類似病害治理以及保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義， 也為同類型橋梁的加固治理研究提供了參考與借鑒。