組合梁橋面板鋼支撐加固方法研究

吳憲鍇

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

我國現有公路橋梁多為依據上世紀標準建造，設計荷載等級較低。近年來，隨著重載交通的逐步增多，公路橋梁的負荷日趨加重，原有設計荷載已不能滿足現有交通量的要求。橋面板作為橋梁結構體系中直接承受車輛輪壓的結構，其工作狀態也會直接影響橋梁的使用性能。尤其是對于一些早期工字梁或T梁橋梁頂采用預制混凝土橋面板的結構，由于建造年代較早，橋面板與翼緣結合處厚度較薄，混凝土質量較差、不密實，在車輛荷載和環境的共同影響下，此類橋面板很多出現了破損嚴重的現象，影響橋梁的結構性能，造成較大的安全隱患，有必要針對病害較為嚴重且可能影響結構和運營安全的預制橋面板進行維修加固處理。

橋面板結構由于受力情況較梁和墩等部件更加復雜，破壞形式多樣化，針對橋面板結構加固方法的探索難度較大。目前多采用鑿除破損部位重新澆注混凝土、粘貼鋼板(或纖維布)、臨時覆蓋鋼板等措施，而現有這些方法或加固效果不理想，或需中斷交通，造成維修成本增大[1-8]。對于一些交通量大的主要干線公路，需要在不影響橋上交通的情況下快速完成橋面板的維修加固施工。

1 工程概況

某橋位于京哈高速公路上，建成于1999年；該橋分為上下行，全橋跨徑布置為30.0m+13×30.0m+2×(14×30.0m)+2×24.9m+8×30.0m，跨徑總長為1549.8m，橋梁總長為1556.0m，該橋為斜彎橋。橋面凈寬為16.50m，外側設置0.50m寬混凝土護欄，內側設置0.85m寬的鋼護欄，橋面鋪裝采用60mm厚瀝青混凝土，全橋設置7道伸縮縫，分別設置在0號、52號臺、1號、14號、28號、42號、44號墩頂。支座均為橡膠支座。上部結構：第1孔為預應力混凝土簡支工字梁，第2～42孔、第45～52孔為先簡支后連續預應力混凝土連續工字梁，每孔8片梁，7道橫隔梁；第43～44孔為單箱四室鋼筋混凝土連續箱梁。下部結構：鋼筋混凝土三柱式墩，鋼筋混凝土肋板臺，除52號橋臺基礎為擴大基礎外，其余墩臺基礎均為鉆孔灌注樁基礎。設計荷載等級為汽車-超20級，掛車-120。驗算荷載等級為特載-480。該橋第8～20孔跨河，8～14號墩位于水中，第50孔跨河。工字組合梁中梁大樣圖如圖1所示。

圖1 工字組合梁中梁大樣圖(單位：cm)

2 橋面病害及成因分析

2.1 橋面板病害

以2020年下行橋梁橋面板檢測結果為例，共計82道預制橋面板出現橫向裂縫，長度為0.5～2.0m，寬度為0.1～0.3mm，部分泌死；113道預制橋面板出現縱向裂縫，長度為0.3～4.5m，寬度為0.1～0.4mm，部分預制橋面板滲水泛堿；10道預制橋面板出現斜向裂縫，長度為0.3～1.5m，寬度為0.1～0.3mm；102道預制橋面板出現網狀裂縫，最大面積為5×2m2，最大寬度為0.35mm；91道預制橋面板剝落掉角，局部露筋，最大面積為1.5×2m2；12-4、15-4號預制橋面板混凝土離析。

根據檢測結果[9]，該橋上部結構技術狀況等級為三類[7]，其中預制橋面板病害最為嚴重，且呈現出數量多、種類多、復合型病害多的特點，甚至部分出現橋面和預制橋面板病害相對應狀況，橋面板病害進一步惡化將對主梁不利，影響交通安全。因此，有必要針對病害較為嚴重且可能影響結構和運營安全的預制橋面板進行維修加固處理。

2.2 病害成因分析

該工字組合梁預制橋面板出現的以上病害，主要成因如下：

(1)由于京哈高速交通量大、重載、超載及超速車輛較多、單軸荷載過大或前期病害處治措施不當，使得車輪反復作用及橋面板頂層混凝土掏空引起修補處及周邊橋面瀝青網裂、凹陷、破損。這導致了修補處橋面鋪裝防水功能喪失、局部積水集中，加速鹽蝕、凍融作用對橋面板頂層混凝土的破壞，嚴重影響橋梁結構性能。

(2)由于橋面板與翼緣結合處厚度較薄，混凝土質量較差、不密實，容易積水，在雨雪的浸蝕下，部分水分滲入到橋面板混凝土內部，進入的水分溶解混凝土內部的殘存氫氧化鈣，并因溫度升高而蒸發到混凝土表面，從而導致橋面板底面泛白；另外，因冬季撒鹽除雪，部分含有氯化鈉、氯化鈣等化學成分的水分滲入到橋面板混凝土內部，并透過混凝土空隙，在橋面板底面蒸發、結晶，也可能導致橋面板底面泛白。橋面板底面泛白，極易導致鋼筋銹蝕，顯著降低結構耐久性；部分橋面板泛白處對應橋面鋪裝瀝青修補、網裂、凹陷部位。

(3)現有橋面板長期承受車輛荷載作用，導致橋面板受力過大，出現縱向裂縫；部分橋面板混凝土質量較差、抗壓強度較低，且鹽蝕、凍融等導致橋面板底層混凝土酥松、缺失，橋面板有效厚度下降，橋面板承載能力不足引起橋面板底面出現縱向裂縫；橋面板底層鋼筋銹蝕及橋面板底面保護層過厚也會引起橋面板底面縱向裂縫。

3 維修加固方案

常規的橋面板結構加固方法采用鑿除破損部位重新澆注混凝土、粘貼鋼板(或纖維布)、臨時覆蓋鋼板等措施，而現有這些方法或加固效果不理想，或需中斷交通，造成維修成本增大。考慮了保通保暢、施工難易、造價等因素的影響，提出預制橋面板橋下橫向鋼支撐加固方案，如圖2所示。該方案由鋼板、橫撐H型鋼、斜撐槽鋼三部分組成，材料均為Q345鋼材，具體擬定尺寸如表1所示。首先在各橋面板底部粘貼鋼板，并在其上安置橫向H型鋼，最后以相鄰工字型主梁梁肋為支撐點，預制安裝局部鋼支撐(傾斜角度為45°)，形成一種鋼支撐加固體系，有效提升橋面板安全性能。

圖2 預制橋面板橋下加固示意圖

表1 加固構件尺寸表

4 加固方案計算分析

假設車輛荷載直接作用于加固鋼板上，并將其作為最不利情況，建立加固結構實體模型，計算荷載包括加固結構自重和汽車-超20級車輪荷載，確定各加固構件的受力狀態是否滿足設計要求。

4.1 鋼結構應力分析

通過MIDAS FEA軟件建立加固結構實體模型，如圖3(a)所示，計算節點121466個，模型單元73846個，材料為Q345鋼材，邊界條件采用下部鋼墊板端部固接模擬，計算荷載主要包括加固結構自重和汽車-超20級車輪荷載作用。車輪荷載等效為面荷載施加，大小為526kN/m2，其最不利作用位置為頂面鋼板中心區域。

通過實體模型有限元分析，得到鋼支撐加固結構各構件應力云圖如圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)所示。從圖中分別提取鋼板、橫向H型鋼和斜撐槽鋼的最大應力值，如表2所示，依據《公路鋼結構橋梁設計規范》[10](JTG D64—2015)，在結構自重和車輪荷載作用下，加固結構各鋼構件的應力均小于Q345鋼材的強度設計值285MPa，該加固結構可滿足荷載要求。

圖3 有限元建模及加固結構應力云圖

表2 加固構件尺寸表

4.2 加固后橫隔梁連接力驗算

計算橫隔梁連接力(以中橫隔梁為例)：橫隔梁橫截面尺寸Ac=180mm×1750mm=315000mm2；橫隔梁混凝土強度C50，設計抗拉強度fcd=1.83MPa；橫隔梁受拉鋼筋組成為6根Φ25鋼筋，設計抗拉強度fsd=335MPa；單塊橫隔板連接力FH=Acfcd+Asfsd=1562kN。

根據上述有限元模型分析結果，提取單根斜撐槽鋼梁與主梁連接處端部的支反力，可知，在車輛和自重共同作用下，豎向支反力為Fz=25kN，水平推力Fy=13kN。

通過梁格法計算，在汽車-超20車輛荷載作用下，橫隔板承受軸向最大拉力約為Fc=270kN。由此可見，即使以相鄰橫隔板間的各塊預制橋面板同時加固作為最不利情況(橫隔板間預制橋面板數量按照5塊計)，并達到最不利受力狀態時，即10×Fy+Fc=420+270=690kN，其水平推力仍遠小于單個橫隔板的極限承載力(FH=1562kN)。

4.3 加固結構自重對主梁影響

假設成孔加固(即所有預制板均采用橫向加固方法)，將加固所用材料的自重轉化為荷載作用在原主梁結構上，計算得到主梁跨中彎矩變化值見表3，加固后的彎矩包絡圖如圖4，可知加固后主梁內力的變化仍可滿足結構承載力要求。

表3 加固前后主梁彎矩變化

圖4 加固后主梁彎矩圖(單位：kN·m)

5 結語

針對工字組合梁預制橋面板病害類型，進行了病害成因分析。考慮到混凝土預制橋面板受力特點，提出了橋下鋼支撐形式的加固結構，以降低該類橋面板的運營風險。通過有限元分析，從加固結構受力性能、加固后對主體結構性能的影響方面，驗證了所提出的不中斷交通加固方案的合理性。通過應用這種橋下鋼支撐形式的加固結構，可提高橋梁承載能力，解決預制橋面板病害多、耐久性差的問題，且能充分利用橋下原主梁之間的空間，在不影響橋上交通的條件下，快速完成施工任務，結構輕巧，增加的自重少，不會導致其他構件的連鎖加固。該方法可為此類橋梁的加固設計提供一定的參考。