不中斷交通條件下大跨蓋梁的改造設(shè)計(jì)與應(yīng)用

邵彬

[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200433]

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁因施加預(yù)應(yīng)力，計(jì)算跨徑較普通鋼筋混凝土蓋梁顯著增大，常被設(shè)計(jì)為兩到三跨框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用在橋梁建設(shè)中。后期改造或升級(jí)時(shí)，如需分跨（段）拆除，其首要工作就是解除預(yù)應(yīng)力。在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)應(yīng)力的存在與否對(duì)蓋梁結(jié)構(gòu)安全（強(qiáng)度）、正常使用指標(biāo)（裂縫、撓度等）均起不可或缺的正向效應(yīng)。若解除預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)抗力降低，結(jié)構(gòu)可能局部損壞甚至整體破壞，造成災(zāi)難性后果，因此對(duì)解除預(yù)應(yīng)力后的蓋梁進(jìn)行驗(yàn)算并按需加固至為重要。

本文以上海某橋梁P39#橋墩預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁分段拆除為例，對(duì)保留段按照正常通行條件進(jìn)行加固驗(yàn)算，論證了不同加固方案的效果，比選出最優(yōu)方案并進(jìn)行了工程應(yīng)用，為上海地區(qū)類似的預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁改造提供參考。

某蓋梁構(gòu)造及計(jì)算參數(shù)

1.1 蓋梁構(gòu)造

P39#預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁按兩跨三柱布置，總長(zhǎng)度38.8m，計(jì)算跨徑為18m+11.8m，東側(cè)懸臂長(zhǎng)度3.9m，西側(cè)懸臂長(zhǎng)度5.1m。截面為等截面倒T型，截面高度2.8m。蓋梁立面及斷面布置見(jiàn)圖1，圖中陰影部分需拆除，剩余部分保留且需交通通行。

蓋梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，配置2排共6Φs15.2-12通長(zhǎng)鋼束。截面下緣配18根Φ28HRB335鋼筋，T肋上緣配2排共16根Φ28HRB335鋼筋見(jiàn)圖2。

圖1 蓋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 蓋梁配筋、配束斷面圖（單位：cm）

1.2 計(jì)算參數(shù)

采用Civil2019、CDN2019對(duì)P39#預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁進(jìn)行有限元建模，按施工工序建立相應(yīng)施工階段，分析時(shí)考慮蓋梁初始位移、溫度等影響因素。

模型中作用的荷載及取值：

（1）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：r0=1.0。

（2）恒載：蓋梁上主梁、鋪裝等荷載均按實(shí)際構(gòu)造尺寸計(jì)入。其中混凝土容重26kN/m3，瀝青混凝土容重25kN/m3。

（3）汽車荷載：車輛荷載橫向加載，車重取順橋向單車道支點(diǎn)反力值。汽車制動(dòng)力按“15通規(guī)”相應(yīng)規(guī)定取值。

（4）溫度：按升溫、降溫20℃考慮。

（5）基礎(chǔ)沉降：結(jié)構(gòu)已運(yùn)營(yíng)20a，基礎(chǔ)已沉降到位，模型中不予計(jì)入。

荷載組合均按“15通規(guī)”相應(yīng)規(guī)定執(zhí)行[1]。

2 加固思路

《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》（JTG3362—2018）[2]（以下簡(jiǎn)稱“18橋規(guī)”）對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算作了如下規(guī)定：

式中：S為結(jié)構(gòu)作用組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值；R是構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值，即抗力值；fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ad為幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值。

可見(jiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的加固可以從減小效應(yīng)和增大抗力兩個(gè)方面進(jìn)行。在本項(xiàng)目中，剩余單跨蓋梁上的荷載設(shè)計(jì)值無(wú)法減小，可增加蓋梁支點(diǎn)使荷載效應(yīng)減小；另一方面，增大混凝土強(qiáng)度、增加截面配筋也無(wú)法實(shí)現(xiàn)，可行的是增大蓋梁截面來(lái)增大抗力。因此，適合本項(xiàng)目的加固方法有兩種：縮小跨徑法[3-6]或增大截面法。

3 加固驗(yàn)算及方案比選

3.1 切割后未加固前蓋梁計(jì)算

原蓋梁采用的是有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系，在蓋梁切割之后會(huì)殘余有部分預(yù)應(yīng)力，但此預(yù)應(yīng)力所起效應(yīng)無(wú)法具體量化，故切割之后的蓋梁按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。采用Midas Civil2019、CDN2019建立有限元模型，模型與構(gòu)造圖紙一一對(duì)應(yīng)，荷載及邊界條件按實(shí)際設(shè)定，模型見(jiàn)圖3。

圖3 切割未加固蓋梁模型

切割后未加固前鋼筋混凝土蓋梁驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，未加固時(shí)，蓋梁截面抗彎和抗剪承載力均不滿足要求。

圖4 持久狀況承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果圖

蓋梁在立柱頂緣和跨中下緣均開(kāi)裂，且最大裂縫寬度遠(yuǎn)超規(guī)范限值0.2mm，見(jiàn)圖5，不滿足規(guī)范要求。

圖5 正常使用極限狀態(tài)裂縫結(jié)果圖

3.2 縮小跨徑法加固后蓋梁計(jì)算

在蓋梁下新增4根鋼筋混凝土支撐柱，截面為正方形，邊長(zhǎng)80cm，截面每邊配置8根Φ20HRB400鋼筋，見(jiàn)圖6。

圖6 支撐柱配筋斷面（單位：mm）

支撐柱基礎(chǔ)采用承臺(tái)樁基礎(chǔ)，承臺(tái)高1.5m，平面尺寸12.2m×1.4m，承臺(tái)頂標(biāo)高同老橋承臺(tái)標(biāo)高。承臺(tái)下設(shè)4根Φ1.0m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)58m，與支撐柱同心布置。支撐柱總體布置及加固模型見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 支撐柱接承臺(tái)樁基礎(chǔ)立面布置圖（單位：cm）

圖8 蓋梁加固模型—縮小跨徑法

經(jīng)計(jì)算，蓋梁持久狀況承載能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。可知，加固后，蓋梁截面抗彎和抗剪承載能力均滿足規(guī)范要求。

圖9 持久狀況承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

正常使用極限狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10，蓋梁在立柱頂緣和跨中下緣均開(kāi)裂，最大裂縫寬度為0.164mm，滿足不大于0.2mm規(guī)范限值要求。

圖10 正常使用極限狀態(tài)裂縫結(jié)果

3.3 增大截面法加固后蓋梁驗(yàn)算

蓋梁原設(shè)計(jì)高度為2.8m，在蓋梁受拉區(qū)增設(shè)1.2m加厚層，加厚寬度與蓋梁底面等寬，沿蓋梁全長(zhǎng)增設(shè)。加厚層下緣布置3排Φ28HRB400鋼筋。

主筋穿越立柱時(shí)，在立柱對(duì)應(yīng)位置種植同直徑鋼筋，搭接及錨固長(zhǎng)度均按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。構(gòu)造、配筋及植筋位置、蓋梁加固模型見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 增大截面法蓋梁構(gòu)造及配筋圖（單位：cm）

圖12 蓋梁加固模型—增大截面法

經(jīng)計(jì)算，蓋梁持久狀況承載能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖13。由圖13計(jì)算結(jié)果可知，加固后，蓋梁截面抗彎和抗剪承載力均滿足要求。

圖13 持久狀況承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

正常使用極限狀態(tài)下，蓋梁在立柱頂緣和跨中下緣均開(kāi)裂，最大裂縫寬度為0.169mm，見(jiàn)圖14，滿足不大于0.2mm的限值要求。

圖14 正常使用極限狀態(tài)裂縫結(jié)果

3.4 方案比選

通過(guò)對(duì)兩種加固方法理論計(jì)算分析，縮小跨徑法、增大截面法均起顯著作用，蓋梁跨中彎矩削峰效果顯著，蓋梁內(nèi)力顯著改善，持久狀況承載能力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度驗(yàn)算和正常使用極限狀態(tài)下的裂縫驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求，加固效果明顯。

兩相比較，增大截面法因加厚截面內(nèi)主筋需穿柱而過(guò)，且主筋為三排小間距布置，對(duì)應(yīng)區(qū)域立柱滿布植筋孔，實(shí)際施工較為困難，質(zhì)量難以保證；且增大截面法會(huì)引起恒載相應(yīng)增加，對(duì)加固不利。因此對(duì)P39#蓋梁切割之后加固方法選用縮小跨徑法。

4 工程應(yīng)用

在工程應(yīng)用中，為確保立柱始終作為上部蓋梁的有效支撐，在柱頂均設(shè)置有千斤頂，見(jiàn)圖15。為掌握切割后各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)蓋梁進(jìn)行了全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控。監(jiān)測(cè)傳感器布置點(diǎn)位見(jiàn)圖16。

圖15 蓋梁加固現(xiàn)場(chǎng)圖

4.1 支撐柱豎向應(yīng)變監(jiān)控結(jié)果

圖16 監(jiān)測(cè)傳感器布置圖

支撐柱應(yīng)變監(jiān)控結(jié)果見(jiàn)圖17。由圖17可知，支撐柱豎向應(yīng)變連續(xù)變化且整體穩(wěn)定，應(yīng)變數(shù)值合理。未出現(xiàn)明顯趨勢(shì)性變化，未出現(xiàn)瞬時(shí)超幅現(xiàn)象，支撐柱均起到預(yù)期支撐作用。

圖17 橋墩豎向應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.2 蓋梁跨中底部應(yīng)變監(jiān)控結(jié)果

蓋梁跨中底部應(yīng)變監(jiān)控結(jié)果見(jiàn)圖18。由圖18可知，蓋梁梁底應(yīng)變隨環(huán)境溫度變化而變化且整體趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)瞬時(shí)超幅現(xiàn)象。蓋梁下緣鋼筋應(yīng)力均未超過(guò)規(guī)范限值仍為彈性受力。

圖18 蓋梁跨中底部應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.3 蓋梁動(dòng)撓度監(jiān)控結(jié)果

蓋梁跨中動(dòng)撓度監(jiān)控結(jié)果見(jiàn)圖19。由圖19可知，切割第二段后跨中蓋梁撓度絕對(duì)值-0.836mm，最大下?lián)狭?.391mm，受溫度影響往復(fù)波動(dòng)，距離最低級(jí)3.6mm預(yù)警有較大富余，整體數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

圖19 蓋梁跨中動(dòng)撓度監(jiān)控結(jié)果

4.4 蓋梁裂縫監(jiān)控結(jié)果

蓋梁切割前存在數(shù)條既有裂縫；蓋梁切割后，現(xiàn)狀裂縫未繼續(xù)開(kāi)展。蓋梁兩側(cè)均未出現(xiàn)明顯新增裂縫。

據(jù)監(jiān)控結(jié)果，在切斷了預(yù)應(yīng)力筋改變了原有結(jié)構(gòu)后，支撐柱及時(shí)被動(dòng)受力，新的結(jié)構(gòu)傳力體系快速且有效形成，結(jié)構(gòu)處于新的穩(wěn)定狀態(tài)，既有裂縫均停止開(kāi)展，同時(shí)無(wú)明顯新增裂縫出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

本文以改建的大跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蓋梁為研究對(duì)象，分別采用縮小跨徑法和增大截面法進(jìn)行了加固驗(yàn)算，經(jīng)過(guò)綜合分析后選用了縮小跨徑法作為本工程加固方案。

增設(shè)臨時(shí)支墩后，蓋梁受力顯著改善，承載能力間接提高，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，達(dá)預(yù)期加固效果。不足之處在于加固驗(yàn)算過(guò)程無(wú)法對(duì)殘余預(yù)應(yīng)力進(jìn)行可靠的量化，因此暫未考慮其所起的作用。

工程實(shí)踐證明，采用縮小跨徑法可以在保證交通通行的條件下，安全、方便地完成大跨蓋梁的截?cái)嗪透脑欤晒晒┩愴?xiàng)目參考。