橋面補強法在舊橋加固中的應用研究

楊 磊

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

公路橋梁是國家和地區交通運輸系統的重要組成部分，針對一些交通繁忙、病害嚴重、拆除難度大的舊橋，及時采取維修加固措施是當今較為穩妥的做法。下面從適用條件、力學影響、附加影響等方面，對橋面補強加固法進行介紹研究。

1 橋面結構補強法

1.1 橋面結構補強法適用條件

橋面結構補強加固法主要適用于橋梁的橋面板結構或梁體承載能力不夠，剛度顯著不足，或者板、梁的鉸縫橫向傳力效果不強等情況。由于考慮到自重的影響，結構補強層的總體厚度會受到限制，因此該加固方法更多地適用于中小跨徑的橋梁結構。

1.2 橋面結構補強法的附加影響

橋面結構補強加固法將使梁體或橋面板的恒載增加，因此應先計算橋面增加厚度后是否能夠提高橋梁的承載能力，如果橋梁結構恒載增加影響顯著，則應考慮其他方法。另外，通過加鋪橋面補強層厚，整體的高程也將引起變化，橋頭引道或橋面縱坡應進行適當調整。

1.3 橋面結構補強法的力學特點

利用橋面補強法進行結構加固時，屬于二次受力結構，原結構在加固前已經受力，加固后補強層并不立即受力，只有在新增荷載的作用下才開始受力。

當構造物結合面上混凝土強度可以達到原有梁(板)與補強層的整體受力的工作性能，所形成的加固構件就是具有組合構件的分階段受力特點的組合梁(板)，具有“后澆混凝土受壓應變滯后”“荷載預應力”和“受拉鋼筋應力超前”等結構特性。

原有梁(板)與補強層的結合面處于復合受力狀態。通過結合面可以傳遞壓力，但對于拉力和剪力，由于結合面上的混凝土所具有的抗拉和抗剪能力較弱，極易出現結構裂縫。當結構設置結合鋼筋，結合面局部產生水平裂縫后，伴隨結合面的相對位移增大，裂縫寬度也隨之增加，則結合面鋼筋產生拉應力，而其反作用力對結合面形成了約束作用，致使裂縫受到抑制，剪力通過結合面上鋼筋的銷栓作用和混凝土的骨料咬合摩阻力來傳遞。結構的承載力由其它強度指標控制，不會產生沿結合面的破壞狀況。

2 工程實例

2.1 項目概況

某橋梁建成于2001年，橋跨組合為9-25m，橋長231m。上部結構為預應力混凝土簡支T梁，下部結構為雙柱式墩，肋板臺，樁基礎，橋面鋪裝采用防水混凝土，厚度13cm，強度等級C40。橋梁設計荷載為汽-20級，掛-100。

2016年對該橋進行定期檢測，發現梁體橫向聯系較弱，且橋面縱向裂縫較多，局部呈現單板受力狀態，個別梁體已出現豎向裂縫。針對這種情況立即采取了特殊檢測，檢測結果顯示該橋的結構強度和剛度均不能滿足設計文件的要求。因此，同年對橋梁采用橋面補強層加固法進行維修加固，具體過程為：鑿除舊橋面鋪裝層和鉸縫混凝土，用厚度為15cm的水泥混凝土(C50)橋面補強層取代舊橋面鋪裝，并將補強層和鉸縫混凝土同時澆筑成一體，提升了梁體的抗彎剛度，改善了鉸接梁板的荷載橫向分布，進而達到提高橋梁承載能力的目的。

2.2 靜載試驗橋孔選擇與工況

根據橋梁結構的外觀檢查結果，對最不利橋跨(第3孔)進行荷載試驗，通過加固前后試驗數據的比對，分析加固方法的有效性。

橋梁設計荷載為汽-20級，掛-100，通過模型計算選取雙后軸加載重車4輛作為等代荷載，車輛軸重及軸距見圖1，橋面采用偏心布置，見圖2。

圖1 加載車輛軸重及軸距示意圖

圖2 加載車輛橫向布置圖

靜載試驗效率按式(1)計算，正彎工況的試驗效率見表1，滿足規范要求。

(1)

其中：Ss—靜載試驗的控制截面內力計算值；

S—荷載作用下截面最不利內力計算值；

1+μ—沖擊系數。

表1 各試驗工況靜載試驗效率表

2.3 靜載試驗結果與分析

2.3.1加固前荷載試驗檢測

在第3孔跨中最大正彎矩工況作用下，跨中截面各T梁的撓度及應力的實測值、理論值、校驗系數見表2。

2.3.2加固后荷載試驗檢測

對該橋進行橋面補強結構加固，并利用荷載試

表2 加固前試驗荷載作用下的實測值

驗驗證加固效果，加固后跨中截面各梁測點撓度、應力的實測值、理論值及校驗系數見表3。

表3 加固后試驗荷載作用下的實測值

2.3.3結果對比與分析

加固前該橋第3孔梁體在荷載工況的作用下撓度校驗系數范圍為0.70～0.93，應力校驗系數范圍為0.87～1.12，其中絕大部分梁體的應力校驗系數均已超出了限值1.00；加固后梁體撓度的校驗系數為0.50～0.60，應力校驗系數為0.51～0.77，均滿足試驗規范對撓度、應力校驗系數限值的要求，加固前、后校驗系數對比詳見表4。

從表4可以看出，通過橋面補強后，第3孔各梁的剛度、強度均有所提升，主要表現為設計荷載作用下撓度、應力校驗系數有所下降，降幅為21%～51%。

表4 橋面加固前后梁體撓度、應力校驗系數比對表

2.4 動載試驗

通過對加固后橋梁進行動載試驗，檢測結構自振頻率、沖擊系數、阻尼比等參數，評價橋梁在維修加固后的動力特性。

2.4.1自振頻率測試

采用大地脈動法測試橋梁第3孔的橋梁自振頻率，測振傳感器布置在跨中截面的橋面位置。自振頻率實測頻域曲線見圖3，檢測結果見表5。

圖3 第3孔實測頻域曲線

表5 第3孔自振頻率測試結果表

該橋第3孔的實測自振頻率fmi與理論計算頻率fdi的比值為1.02，介于1.0與1.1之間。依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)第5.9.2條確定自振頻率的評定標度為2，說明橋梁結構尚處于正常狀態。

2.4.2沖擊系數測試

利用1輛43t重的載重試驗車在不同車速時勻速通過橋梁，跑車速度分別為30～60km/h。車輛在橋面上行駛會產生一定的沖擊，從而造成橋梁結構振動，通過動力測試系統測定橋跨結構主要控制截面測點的動態應變曲線(如圖4～圖7)，并利用式(2)計算不同車速下的沖擊系數，具體結果見表6。

(2)

式中：fdmax—實測最大動應變幅值；

fdmin—與fdmax對應的動應變波谷值。

圖4 第3孔30km/h跑車試驗動態應變波形圖

圖5 第3孔40km/h跑車試驗動態應變波形圖

圖6 第3孔50km/h跑車試驗動態應變波形圖

圖7 第3孔60km/h跑車試驗動態應變波形圖

由表6可知，該橋第3孔在不同跑車速度(30～60km/h)的作用下，實測沖擊系數均小于規范計算值，滿足規范的相關要求。

2.4.3阻尼比分析

橋梁結構阻尼比采用波形分析法計算，通過不同車速下的跑車試驗，在車輛駛離橋面過程中采集橋梁振動逐步自然衰減的幅值譜圖(圖8～圖11)，并利用式(3)計算不同車速下的阻尼比，具體結果見表7。

(3)

式中：D—阻尼比；

圖8 第3孔30km/h跑車試驗豎向振動波形圖

圖10 第3孔50km/h跑車試驗豎向振動波形圖

圖11 第3孔60km/h跑車試驗豎向振動波形圖

表7 不同車速激振下橋梁阻尼比計算結果匯總表

n—參與計算的波的個數，不小于3；

Ai—參與計算的首波峰值；

Ai+n—參與計算的尾波峰值；

由表7可知，該橋第3孔在不同跑車速度(30～60km/h)的作用下，阻尼比計算值為2.60%～3.47%，所得結果在正常范圍內。

3 結論

從橋面補強加固法的適用條件、力學特點、附加影響等方面進行了介紹，同時列舉實例驗證了橋面補強加固法能夠提高結構橫向聯系及剛度。考慮到該加固方法技術難度低，見效顯著，因此，在滿足適用條件的情況下，建議利用橋面補強加固法對舊橋進行加固維修，保證舊橋結構的安全運營。