預應力混凝土連續箱梁橋裂縫修復設計及應用研究

蔡 磊

（福州新城市政工程設計有限公司，福州 350100）

0 引言

近年來,連續箱梁橋因具有結構剛度大、不易變形、整體性能好及優良的抗震性能等優點, 逐漸在我國公路橋梁建設中得到廣泛應用。 但相當一部分橋梁由于前期設計和施工的不足,或者在后期的超荷載作用下,使得橋梁的結構安全性及耐久性有所退化。 因此,針對連續箱梁橋的加固設計進行研究具有重要意義。

目前, 國內外學者關于橋梁的加固方法展開了大量研究,如陳平燕[5]針對性地提出腹板加厚及增加體內預應力束的加固方案, 解決了腹板開裂、 結構剛度不足等問題。譚棟等[6]提出的箱梁底板張拉體外預應力鋼束和張拉縱向預應力碳纖維板兩種加固方案, 均可將底板受力恢復為全預應力構件。嚴慧忠等[7]詳細闡述了連續箱梁橋體外預應力加固的施工監控全過程, 對比分析了加固后主梁的變形、應力等參數的理論值和實測值,以期為同類工程的施工監控提供參考。黃志斌等[8]通過橋梁荷載試驗和長期監控進行檢查分析, 得出箱內張拉體外預應力索和箱外粘貼碳纖維布等加固方式能有效提高橋梁的承載能力、整體剛度和抗裂性能。 以上關于橋梁加固的研究大多是采用單個的體外預應力技術、 增大截面法或粘貼碳纖維布等方法, 而關于復合加固技術手段的研究還有待進一步完善。 基于此,本文針對某預應力混凝土連續箱梁橋裂縫、開裂等病害設計了一種復合加固方案,并針對加固前后橋梁的承載力進行對比分析,驗證了該加固方案的優良效果,以期為類似橋梁的加固設計提供借鑒和參考。

1 工程概括

1.1 橋梁結構

某預應力混凝土連續箱梁橋總長165.5m, 主橋跨徑布置為25m+3×38.5m+25m。橋梁采用分離式橋面,單幅橋梁寬度為12.5m,全寬25m,橫向布置2×3.5m 人行道+4×3.75m 車行道+2×0.5m 防護欄。 橋面鋪裝采用9cm 混凝土+防水層+11cm 瀝青混凝土。 設計荷載為公路Ⅰ級,橋面橫坡為2%,縱坡小于3%。 橋梁上部結構采用單箱單室變截面連續箱梁,箱梁頂板寬11.5m,底板寬5.2m,支點處梁高5.8m,跨中截面梁高2.6m,箱梁施工采用頂推法,澆筑材料采用C50 混凝土。 下部結構主墩采用鋼筋混凝土箱型薄壁墩,樁基礎采用鉆孔灌注樁,樁徑60cm,呈梅花形布置。 橋梁立面布置如圖1 所示。

圖1 連續箱梁橋立面示意圖

1.2 病害分析

該橋在正常運營7 年后, 經檢測發現左幅橋梁病害較多,主要表現有：(1)橋梁一跨和五跨處箱梁底板出現較多橫向及縱向裂縫,腹板出現斜向裂縫,頂板出現縱向裂縫,最大裂縫達到0.23mm,其中混凝土結構局部出現破損露筋；(2)左幅橋梁跨中截面最大撓度設計值與實測值偏差達到3.8cm, 右幅橋梁跨中截面最大撓度偏差達到3.5cm,結構下撓過大。 初步估計病害主要是由于車輛超載嚴重、 縱向和橫向預應力損失較大以及澆筑混凝土未按標準養護等原因造成。

2 有限元分析

2.1 建立模型

為檢驗連續箱梁橋承載力是否滿足安全設計標準,運用有限元軟件Midas Civil 建立出現病害橋梁數值模型,計算模型中共包含1624 個單元和1863 個節點,其中一跨主梁網格劃分模型如圖2 所示。

圖2 橋梁第一跨模型示意圖

計算模型中主梁均采用梁單元進行模擬, 采用獨立單元模擬橫隔板, 計算過程中不考慮支座作用的影響,主梁裂縫參照檢測數據進行模擬。 荷載作用主要考慮：恒載：混凝土結構自重+二期橋面鋪裝約74kN/m；活載等級為公路Ⅰ級,人群活載取3.5kN/m；溫度荷載按照《公路橋涵設計通用規范JTG D60-2004》要求取值。 上部結構材料主要為C50 混凝土, 縱向預應力剛筋采用低松弛高強度鋼絞線,豎向預應力鋼筋采用精軋螺紋鋼,材料具體參數如表1 所示。

表1 計算模型材料參數

2.2 承載力分析

為有效分析橋梁各關鍵截面極限承載力情況, 運用有限元軟件分別計算各跨跨中截面抗彎承載力、各跨L/4截面抗剪承載力及各主墩截面抗彎承載力, 并將橋梁承載力的計算極限值與設計值進行對比分析, 以評定橋梁承載力是否滿足規范要求。 橋梁跨中截面抗彎承載力、L/4 截面抗剪承載力及主墩截面抗彎承載力計算結果分別如表2、3、4 所示。

表2 主跨跨中抗彎承載力計算結果

根據表2 可知, 主梁各跨中截面抗彎承載力出現較大程度下降,其中第二跨、第三跨跨中截面抗彎承載力基本滿足該橋極限承載力設計要求,但第一跨、第三跨及第五跨跨中截面抗彎承載力均已低于設計值, 相對于設計極限值分別低了約7.3%、3.8%和7.8%, 已無法滿足橋梁跨中截面抗彎承載力要求。

表3 主跨L/4 截面抗剪承載力計算結果

根據表3 可知,橋梁各主跨中L/4 截面抗剪承載力出現較大程度下降,其中第一跨、第三跨及第五跨跨中L/4截面的抗剪承載力均已低于設計值, 相對于設計極限值分別低了約12.3%、4.3%和10.5%, 均已無法滿足橋梁主跨L/4 截面抗剪承載力設計要求,但其它各跨L/4 截面的抗剪承載力基本滿足該橋極限承載力設計要求。

表4 主墩截面抗彎承載力計算結果

根據表4 可知, 各主墩截面的抗彎承載力均要高于原橋設計值,2 號主墩～5 號主墩的抗彎承載力計算值分別高于設計值約23.2%、24.6%、24.1%和22.6%,均滿足橋梁主墩承載力設計要求。 綜合來看,由于橋梁第一跨、第三跨與第五跨的承載力不足, 最終導致橋梁出現腹板斜裂縫、底板開裂以及跨中最大撓度偏差較大等病害。

3 復合加固設計

根據對橋梁的檢測及承載力驗算分析, 承載力不足與裂縫的存在給橋梁的安全運營帶來了較大風險, 為保證橋梁的正常使用, 現計劃采用復合加固法對橋梁病害進行修復與加固,具體加固措施如下：

(1)在橋梁第一跨及第五跨箱體內沿腹板分別增設6束和5 束15-7 的縱向預應力鋼束,以降低腹板的主拉應力和提高橋梁的承載力儲備；

(2)第一跨及第五跨腹板外側斜裂縫采用碳纖維進行加固,粘貼角度傾斜30°,間距分別為40cm 和50cm；

(3)根據斜裂縫方向在腹板內側鉚黏鋼板,第一跨、五跨鉚黏間距為40cm,其他各跨間距為60cm；

(4)增大箱梁截面,提高腹板強度,在腹板內側增設鋼筋網,并灌注水泥漿材料進行固定,同時對鉚黏的鋼板起到保護作用；

(5)箱梁底板裂縫采用混凝土砂漿進行修補,并在底板表面刷界面劑防止脫落,厚度為1cm。

4 效果分析

加固后再次運用有限元軟件分別計算各跨跨中截面抗彎承載力、 各跨L/4 截面抗剪承載力及各主墩截面抗彎承載力, 針對加固前后橋梁的抗彎及抗剪承載力變化情況進行對比分析。 橋梁各跨L/4 截面的抗剪承載力、跨中截面及主墩截面的抗彎承載力驗算結果分別如表5、6所示。

表5 加固后橋梁跨中截面與L/4 截面抗彎承載力驗算結果

根據表5 可知,橋梁采用復合加固法修復后,主梁各跨跨中截面及L/4 截面的抗彎承載力和抗剪承載力均得到顯著改善,其中第一、三及五跨跨中截面的抗彎承載力分別增幅約15.3%、8.9%和14.6%,L/4 截面的抗剪承載力分別增幅約24.7%、12.6%和25.2%,經評定橋梁各跨的抗彎承載力及抗剪承載力均已滿足設計要求, 說明復合加固法對于修復該橋病害效果顯著。

表6 加固后主墩截面抗彎承載力驗算結果

根據表6 可知,橋梁采用復合加固法修復后,橋梁2號主墩～5 號主墩的抗彎承載力相對于加固前分別分別提升了約8.2%、4.2%、3.9%和7.6%,不僅增大了各主墩的抗彎承載力儲備,更給橋梁的長期穩定運營提供了保障。

5 結論

本文以某預應力混凝土連續箱梁橋加固工程為例,針對該橋出現的病害設計了一種復合加固方法, 并運用有限元軟件對比分析了加固前后橋梁關鍵截面的抗彎及抗剪承載力變化情況,得到以下主要結論：加固前2 號主墩～5 號主墩的抗彎承載力計算值均高于設計值, 滿足橋梁主墩承載力設計要求,但橋梁第一跨、第三跨和第五跨跨中截面的抗彎承載力分別低于設計值約7.3%、3.8%和7.8%,第一跨、第三跨及第五跨跨中L/4 截面的抗剪承載力均已低于設計值約12.3%、4.3%和10.5%, 均已無法滿足橋梁承載力設計要求。加固后橋梁第一、三及五跨跨中截面的抗彎承載力分別增幅約15.3%、8.9%和14.6%,L/4截面的抗剪承載力分別增幅約24.7%、12.6%和25.2%,經評定橋梁各跨的抗彎承載力及抗剪承載力均已滿足設計要求。 由此可知復合加固法對于修復該橋病害效果顯著,可為類似橋梁的加固提供參考和借鑒。