預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋加固設(shè)計及效果分析

沈青青

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司， 新疆 烏魯木齊 830000)

由于設(shè)計或施工不足，早期修建的預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋常出現(xiàn)跨中梁體下?lián)稀㈩A(yù)應(yīng)力損失及梁體裂縫等病害，如何有效對病害橋梁進(jìn)行加固成為急需研究的重要課題。目前，針對跨中梁體下?lián)虾土旱琢芽p等常見病害的修復(fù)展開了大量研究，如程煒等對預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋主橋箱梁采用增加腹板厚度+體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的方法提高結(jié)構(gòu)剛度，并對頂、底板縱向裂縫采用粘貼碳纖維布等進(jìn)行處治，加固效果明顯；姚國文等通過對交界墩糾偏、增大端橫梁截面、更換支座等措施解決了端橫梁病害，且加固效果滿足橋梁使用要求；呂宏奎采用更換底板、重新布設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束的恢復(fù)結(jié)構(gòu)完整性方案處治連續(xù)剛構(gòu)橋底板崩裂問題，加固后橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度均滿足設(shè)計荷載要求；王若谷等研究了腹板參數(shù)對增設(shè)中腹板的連續(xù)剛構(gòu)橋加固方法的影響，發(fā)現(xiàn)選取相對較薄的單腹板，在適量增加鋼束用量的情況下進(jìn)行加固效果較好。由于橋梁病害的形成原因較復(fù)雜且影響因素較多，在對病害橋梁進(jìn)行加固前需針對病害成因進(jìn)行分析與判斷，從而設(shè)計最合理的加固方案。該文以某連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔槍ζ洳『η闆r及成因設(shè)計更換部分橋面鋪裝、增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼束、修復(fù)裂縫的加固方法，并運(yùn)用有限元軟件對加固效果進(jìn)行模擬分析。

1 工程概況

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)

某預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑布置為45 m+75 m+75 m+45 m，全長240 m，橋面總寬25 m，單幅橋面寬11.5 m，左右幅橋梁間隔2 m，橋面兩側(cè)設(shè)置0.5 m防撞護(hù)欄。雙向六車道，最高行駛速度為100 km/h，橋面橫坡為2%。主梁采用單箱單室變截式連續(xù)箱梁，支點(diǎn)處梁高4.8 m，跨中處梁高2.2 m，底板寬5.8 m，支點(diǎn)處厚70 cm、跨中處厚25 cm，頂板厚30 cm，腹板支點(diǎn)處厚50 cm、跨中處厚30 cm。下部結(jié)構(gòu)采用薄壁柔性墩、直徑為0.5 m的鉆孔灌注樁，樁間距1.5 m。橋梁總體布置見圖1。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)橋總體布置(單位：m)

1.2 病害分析

該橋正常運(yùn)營7年后，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測，結(jié)果顯示：箱內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力損失較大；橋面鋪裝損壞嚴(yán)重；主梁腹板、頂板及梁底均出現(xiàn)大量裂縫，部分裂縫已沿腹板延伸至翼緣根部，最大寬度達(dá)0.5 mm；主梁跨中下?lián)犀F(xiàn)象明顯(見圖2)。通過對設(shè)計資料及檢測資料進(jìn)行敏感性分析，初步判定該橋出現(xiàn)病害的主要原因?yàn)檐嚵髁考爸剌d車輛的增加增大了結(jié)構(gòu)受力、原設(shè)計結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力偏低、原設(shè)計對砼收縮徐變和溫度作用考慮不足。

圖2 橋梁主要病害情況

1.3 加固方案

為保證橋梁達(dá)到運(yùn)營要求，同時從施工難易程度、運(yùn)營風(fēng)險及方案可行性等方面考慮，采用更換部分橋面鋪裝、增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼束及修復(fù)裂縫的方法對該橋進(jìn)行加固，提高其穩(wěn)定性及承載能力。具體方法如下：

(1) 在箱內(nèi)增設(shè)體外縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，橫向同時設(shè)置4束預(yù)應(yīng)力鋼束，邊、中跨箱梁分別采用12φs15.2 mm和19φs15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力鋼束的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為0.6 MPa。預(yù)應(yīng)力鋼束增設(shè)位置見圖3。

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼束增設(shè)位置(單位：cm)

(2) 采用填充灌注膠的方法修復(fù)箱梁處寬度大于0.15 mm的裂縫，涂刷樹脂膠修復(fù)寬度小于0.15 mm的裂縫，同時在箱梁邊、中跨合龍段底板和腹板內(nèi)側(cè)粘貼鋼板條進(jìn)行加固(見圖4)。

圖4 箱梁鋼板條粘貼位置(單位：cm)

(3) 清除橋面原瀝青砼鋪裝層，在1#～3#主墩墩頂兩側(cè)增鋪長度為10 m的縱向鋼筋網(wǎng)，再鋪設(shè)厚度為9 cm的新瀝青砼層。

2 建立模型

以原設(shè)計參數(shù)為依據(jù)，運(yùn)用軟件MIDAS/Cilvi建立該橋有限元數(shù)值模型，對加固前后主梁結(jié)構(gòu)的砼應(yīng)變及撓度進(jìn)行計算分析。計算過程中假定鋼筋與砼間黏結(jié)良好，不考慮相對滑移作用；鋼板視為完全線彈性材料，鋼筋考慮為理想塑性，不考慮膠層的影響。主梁、橋墩均采用梁單元模擬，共包含206個單元和278個節(jié)點(diǎn)(見圖5)。

圖5 全橋有限元模型

考慮偏心加載和對稱加載2種情況，模擬6輛重載貨車通行荷載，平均荷載為350 kN。計算截面選取左、右幅橋梁跨中位置2個截面，對加固前后該截面箱梁內(nèi)1#～20#測點(diǎn)的砼應(yīng)變及主梁頂部Ⅰ～Ⅹ號測點(diǎn)的撓度進(jìn)行計算分析。加載方式及測點(diǎn)位置見圖6。

圖6 加載方式及測點(diǎn)位置示意圖(左幅橋梁)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 對稱加載加固效果分析

運(yùn)用有限元軟件建立對稱加載方式下連續(xù)剛構(gòu)橋計算模型，對加固前后主梁結(jié)構(gòu)砼應(yīng)變及撓度進(jìn)行對比分析。

3.1.1 砼應(yīng)變

經(jīng)計算，對稱加載方式下左幅橋梁跨中截面各測點(diǎn)的砼應(yīng)變均大于右幅橋梁，說明左幅橋梁受病害影響比右幅橋梁嚴(yán)重。加固前后左幅橋梁跨中截面1#～10#測點(diǎn)的砼應(yīng)變見圖7。

圖7 對稱加載方式下加固前后左幅橋梁跨中截面1#～10#測點(diǎn)的砼應(yīng)變

由圖7可知：采用上述加固方案對橋梁進(jìn)行維修后，對稱加載方式下左幅橋梁跨中截面各測點(diǎn)的砼應(yīng)變均不同程度減小，1#～10#測點(diǎn)的砼應(yīng)變分別減小22.3%、22.1%、23.5%、22.7%、21.8%、7.1%、13.9%、17.4%、18.1%和7.6%。說明該加固方案可降低橋梁的砼應(yīng)變，大幅提升結(jié)構(gòu)的縱向剛度，從而改善橋梁的整體安全性能。

3.1.2 結(jié)構(gòu)撓度

經(jīng)計算，對稱加載方式下左幅橋梁跨中截面的下?lián)戏缺扔曳鶚蛄捍螅f明左幅橋梁結(jié)構(gòu)變形比右幅橋梁大。加固前后左幅橋梁跨中截面Ⅰ～Ⅴ號測點(diǎn)的撓度見圖8。

圖8 對稱加載方式下加固前后左幅橋梁跨中截面Ⅰ～Ⅴ號測點(diǎn)的撓度

由圖8可知：采用該加固方案對橋梁進(jìn)行維修后，左幅橋梁跨中截面Ⅰ～Ⅴ號測點(diǎn)的撓度下降明顯，分別減小21.5%、19.3%、22.5%、26.5%和23.6%。說明該加固方案可大幅降低橋梁跨中截面的下?lián)戏龋乐箻蛄航Y(jié)構(gòu)變形過大。

3.2 偏心加載加固效果分析

運(yùn)用有限元軟件建立偏心加載方式下連續(xù)剛構(gòu)橋計算模型，對加固前后主梁結(jié)構(gòu)的砼應(yīng)變及撓度進(jìn)行對比分析。

3.2.1 砼應(yīng)變

經(jīng)計算，偏心加載方式下加固后左、右幅橋梁跨中截面各測點(diǎn)的砼應(yīng)變均減小，其中左幅橋梁跨中截面1#～10#測點(diǎn)的砼應(yīng)變見圖9。

圖9 偏心加載方式下加固前后左幅橋梁跨中截面1#～10#測點(diǎn)的砼應(yīng)變

由圖9可知：偏心加載方式下，加固前左幅橋梁跨中截面的最大砼應(yīng)變?yōu)?6 με，加固后為70 με，下降約27.1%。說明該加固方案在偏心加載方式下可降低橋梁的砼應(yīng)變，提升橋梁結(jié)構(gòu)的縱向剛度。

3.2.2 結(jié)構(gòu)撓度

經(jīng)計算，偏心加載方式下加固后左、右幅橋梁跨中截面各測點(diǎn)的撓度均大幅減小，其中左幅橋梁跨中截面Ⅰ～Ⅴ號測點(diǎn)的撓度見圖10。

圖10 偏心加載方式下加固前后左幅橋梁跨中截面Ⅰ～Ⅴ號測點(diǎn)的撓度

由圖10可知：偏心加載方式下，加固前左幅橋梁跨中截面的最大撓度為50.7 mm，加固后為37.6 mm，下降約25.8%。說明該加固方案在偏心加載方式下可降低橋梁的結(jié)構(gòu)撓度，有效控制橋梁整體結(jié)構(gòu)變形。

4 結(jié)論

(1) 對稱加載和偏心加載方式下左幅橋梁的砼應(yīng)變及撓度均大于右幅橋梁，說明左幅橋梁的受損程度較大，右幅橋梁的受損程度較小。

(2) 對稱加載方式下，加固后左幅橋梁的砼應(yīng)變減小7.1%～23.5%，結(jié)構(gòu)撓度減小19.3%～26.5%；偏心加載方式下，加固后左幅橋梁的最大砼應(yīng)變減小約27.1%，最大結(jié)構(gòu)撓度減小約25.8%。說明該加固方案在2種加載方式下均可降低橋梁的砼應(yīng)變和撓度，提升橋梁結(jié)構(gòu)的縱向剛度，降低整體結(jié)構(gòu)變形。