拼寬橋既有橋梁承載能力驗算及加固設計

姚 云

(蘇交科集團股份有限公司 南京市 210000)

1 工程概況

某舊橋上部結構為預應力小箱梁，先簡支后連續結構，跨徑3×25m，斜交角度45°；下部結構為肋板式臺和柱式墩，基礎采用鉆孔式灌注樁。拼寬采用雙側拼寬，“上連下不連”方案。舊橋單幅橋面寬13.5m，斷面布置4片梁，現上部結構采用小箱梁拼寬6.78m，拼寬后單幅橋面寬20.28m。舊橋上部結構拼寬方案為：將舊橋小箱梁部分翼緣切除后，通過濕接縫與新建小箱梁翼緣剛性連接；橫隔板處通過向原橋植筋，同時在新老橋之間現澆橫隔板剛性連接。下部結構拼寬采用樁柱式橋墩和肋板臺，與原下部結構分離。拼寬后結構橋墩處斷面見圖1。

圖1 拼寬后結構標準斷面(單位：cm)

2 設計標準

根據《高速公路改擴建設計細則》[1]相關條例，拼寬橋涵的新建部分與既有橋涵結構連接時，應進行整體驗算和評價。既有橋涵極限承載能力應滿足或采取加固措施后滿足現行標準的要求；正常使用極限狀態應滿足原設計標準的要求。因此拼接利用的舊橋：承載能力極限狀態滿足公路-Ⅰ級，正常使用極限狀態滿足汽車-超20級、掛車-120。

3 舊橋上下部結構承載能力驗算

3.1 結構分析計算

(1)計算模型按單梁進行計算。

(2)跨中橫向分布系數采用剛接板梁法，并考慮連續梁對抗彎剛度的修正；支點位置橫向分布系數按杠桿法計算[2]。

(3)充分考慮簡支變連續的施工方法對結構受力的影響，施工階段按實際情況劃分。

(4)二期恒載中，護欄按影響線加載，現澆層及鋪裝荷載按面積分配。

(5)活載按公路-I級荷載施加，沖擊系數按規范考慮。

3.2 舊橋小箱梁拼寬前后橫向分布系數分析

拼寬后，新增的結構與原結構協同受力，對原結構有卸載的作用，汽車荷載作用下舊橋受力會有不同程度的降低，可通過拼寬前后橫向分布系數[2]的變化來體現。拼寬前、后舊橋小箱梁的跨中橫向分布系數如表1所示。

表1 舊橋小箱梁跨中橫向分布系數

由計算結果可知，拼寬橋對舊橋有較明顯的卸載作用，拼寬后舊橋小箱梁橫向分布系數有不同程度的降低，越靠近拼寬連接處，橫向分布系數下降越明顯。

3.3 考慮橋梁現狀對承載能力評定的影響

由于原小箱梁已運營多年，可能存在一定的病害和老化，因此對其進行承載能力計算時需要考慮這部分因素的影響。

根據現行《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)，對舊橋的承載能力的評估可采用標度法進行。配筋混凝土橋梁在計算承載能力極限狀況的抗力效應時，應根據橋梁試驗檢測結果，采用引入檢算系數Z1、承載能力惡化系數ξe、截面折減系數ξc和ξs的方法進行修正計算，具體公式如下：

γ0S≤R(fd,ξcαdc,ξsαds)Z1(1-ξe)

式中：γ0為結構重要性系數；S為荷載效應函數；R(·)為抗力效應函數；fd為材料強度設計值；αdc為構件混凝土幾何參數值；αds為構件鋼筋幾何參數值；Z1為承載能力檢算系數；ξc為配筋混凝土結構的截面折減系數；ξs為鋼筋的截面折減系數；ξe為承載能力惡化系數。

式中各值的具體計算方法詳見《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)。

根據橋檢報告，結合表觀檢查結果和無損檢測結果對小箱梁進行計算評定，得到小箱梁的結構抗力效應的修正系數，結果如表2所示。

表2 既有橋梁小箱梁承載力修正系數

由計算結果可見，原小箱梁承載能力綜合修正系數為1.01，計算時偏安全考慮均取為1.0。

3.4 舊橋小箱梁計算結果

舊橋小箱梁和新建小箱梁截面與普通鋼筋配筋大體一致，舊橋小箱梁抗剪承載力可以得到保證，而舊橋小箱梁的預應力配置相對較弱，舊橋小箱梁的鋼束總配置為：中跨22束、邊跨28束、負彎矩區23束，每束都是直徑為15.2mm的鋼絞線。舊橋小箱梁承載能力驗算結果匯總如表3所示，計算時根據原橋情況考慮了5cm的調平層參與設計。

表3 舊橋小箱梁承載能力驗算結果匯總

由計算結果可知,舊橋小箱梁跨中抗彎承載力不足，而支點抗彎承載力和抗剪承載力均滿足規范要求。因此需要針對舊橋小箱梁的跨中部分抗彎承載力進行加固。

3.5 舊橋下部結構計算結果

舊橋的下部結構包括橋墩蓋梁、橋臺蓋梁、墩柱和樁基。其中1#、2#橋墩采用雙柱構造，柱間距10m，受力較為不利，對其進行結構驗算。經計算，下部結構的承載力及樁基的承載力均滿足規范要求，計算結果如表4、表5、表6所示。

表4 舊橋橋墩蓋梁計算結果

表5 舊橋橋墩墩柱計算結果

表6 舊橋樁基計算結果

4 加固改造設計方案

加固改造設計主要針對舊橋小箱梁跨中截面抗彎承載能力不足進行補強。常規的加固方法包括加鋪橋面現澆層、梁底粘貼鋼板、梁底粘貼碳纖維布和設置體外預應力等。綜合考慮原橋實際情況、加固方案對承載力的提高效果、對原橋的損壞和擾動，以及耐久性，最終采用底板粘貼鋼板[3]的加固方案。

根據計算結果，舊橋小箱梁不同的邊、中梁位置，以及邊跨、中跨不同位置的跨中抗彎承載能力欠缺程度不同，因此采用不同的加固措施：對于承載能力已經滿足現行規范要求的，不再進行加固；對于承載能力欠缺較小(≤10%)，采用底板橫向粘貼2塊鋼板進行加固；對于承載能力欠缺較多(>10%)，采用底板橫向粘貼3塊鋼板進行加固。加固的鋼板型號全部統一，采用Q345C鋼板，鋼板厚度取5mm，每塊寬度25cm，粘貼加固范圍為跨中16m長度范圍，Q345C鋼板的化學成分、機械性能等應符合《低合金高強度結構鋼》(GB/T 1591—2018)的規定，鋼材必須具有國家技術質量監督部門確認的產品質量證明、出廠合格證明。加固設計后舊橋小箱梁的計算結果如表7所示，均滿足承載力要求。

表7 加固后舊橋小箱梁計算結果

5 橋梁拼寬對橋梁拓寬的積極影響

(1)利用老橋進行拼寬可節約拆除費用，只增加了加固的費用，加固費用相對于拆除重建橋梁的建設成本明顯降低。

(2)拆除老橋會對環境有較大的影響，拆除過程中會產生較多灰塵影響空氣質量，也會產生較大的噪音，造成噪音污染。而利用老橋拼寬則可以避免對環境的影響。

(3)需要拓寬的橋梁交通量通常都較大，橋梁拼寬基本不會影響到交通，而對橋梁拆除重建將會中斷交通或嚴重影響交通。

6 結語

為了節約建設成本、保護環境、不影響交通，橋梁拼寬成為拓寬公路橋梁中的首選方案，而對舊橋進行承載能力驗算及加固設計成為其中最關鍵的環節，只有做好這個關鍵環節才能保證既有結構安全可靠。