既有橋梁改造加固方案設計

陳紅霞

(江蘇緯信工程咨詢有限公司,江蘇 南京 210014)

0 引言

隨著我國交通行業的迅猛發展,既有橋梁的改造加固比例也日益增多。既有橋梁在運營過程中常見的主要病害表現為橋梁裂縫,這大幅降低了橋梁的壽命及使用性能,也影響了結構的安全性。為了有效延長橋梁的使用壽命,就需要對其采取加固措施進行改造,在加固前首先要明確現有橋梁的病害產生原因,然后才能科學地選擇改造加固方法[1]。基于此,文章以組合箱梁為研究對象,探討其改造加固的方案設計,以期為后續橋梁加固工程提供一些參考意見。

1 工程概況

以某30 m預應力混凝土組合箱梁橋為研究對象,橋跨布置為10 m×30 m,橋梁總長308 m,箱梁梁高1.5 m,結構先簡支后連續。橋寬28 m,其橫向布置為0.5 m護欄+12 m行車道+1 m護欄+1 m中分帶+1 m護欄+12 m行車道+0.5 m護欄。下部結構橋墩采用柱式墩,橋墩墩柱直徑為1.3 m,樁基直徑為1.5 m,橋臺采用柱式橋臺,樁基直徑1.2 m。

2 主要病害及原因分析

經過橋梁檢測發現,該橋的主要病害表現為梁底裂縫[2],具體表現為梁底縱向裂縫和梁底橫向裂縫。縱向裂縫普遍存在,縱向間斷性延伸,橫向裂縫主要分布在距梁端1/4至3/4跨,縱向裂縫和橫向裂縫寬度均在0.15 mm以下。

2.1 計算模型

應用MIDAS CIVLI構建橋梁有限元模型,模型中主梁、橋墩、樁基礎均使用梁單元,主梁與橋墩采用一般支座連接,樁基與地基土采用彈簧連接。

2.2 計算參數

(1)結構按部分預應力混凝土A類構件設計。

(2)箱梁采用C50混凝土,混凝土容重為26 kN/m3。

(3)鋼絞線主要采用Φs15.2 mm,預應力張拉控制應力為1 390 MPa。

(4)整體溫度按照整體升降溫25 ℃。

(5)荷載等級:原設計采用汽—超20、掛—120;實際采用1.2倍公路-I級。

2.3 計算結果

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)(以下簡稱“規范”),在1.2倍公路-I級荷載作用下,對預應力混凝土組合箱梁在荷載組合Ⅱ作用下的抗彎承載力和應力進行驗算。

2.3.1 抗彎承載力

截面最大抗彎承載力驗算結果如表1所示。

表1 橋梁加固前正截面最大抗彎承載力驗算 單位:kN·m

由表1可知,中梁、邊梁在組合Ⅱ作用下,截面最大彎矩內力均大于結構抗力,極限承載能力驗算不滿足規范要求。

2.3.2 主應力

主應力驗算結果如表2所示。

表2 橋梁加固前主應力驗算 單位:MPa

由表2可知,中梁在荷載組合Ⅱ作用下,箱梁跨中下緣的最大主拉應力為-4.0 MPa(>-2.7 MPa),墩頂處的最小主應力最大值為-2.8 MPa(>-2.7 MPa),不滿足A類構件的要求;邊梁在荷載組合Ⅱ作用下,箱梁跨中下緣的最大主拉應力為-4.7 MPa(>-2.7 MPa),墩頂處的最小主應力最大值為-3.0 MPa(>-2.7 MPa),不滿足A類構件的要求。

2.4 病害原因分析

2.4.1 梁底縱向裂縫

橋梁底部出現大量縱向裂縫的主要原因之一是預應力鋼筋的預應力不滿足設計要求,梁底主拉應力超過限值,從而出現開裂現象。

本橋箱梁采用90年代部頒通用圖,與目前采用的通用圖相比,總體上變化不大,原箱梁尺寸稍偏小,梁高高度低10 cm,腹板、底板厚度薄3 cm,邊梁預應力鋼束少4根Φs15.2,中梁少3根Φs15.2。端部腹板縱向水平鋼筋φ8間距10 cm,中部腹板縱向水平鋼筋φ8間距20 cm偏大。通過計算可知,在實際荷載作用下,底板最大拉應力為-4 MPa,不滿足規范部分預應力A類構件限值-2.7 MPa要求,故產生縱向裂縫。

此外,溫度梯度的存在也是縱向裂縫形成的另一個重要因素。當橋梁受到太陽直射時,其所在位置的溫度升高較快,而底部避光的溫度較低,這種溫度梯度會導致橋梁梁底產生較大的縱向應力,從而引發裂縫的形成。這種溫度梯度的應力變化會隨著橋梁截面高度、箱梁長度以及支撐約束的變化而快速發生改變。與此同時,梁底的翼緣受到外界環境溫度的影響,使得拉壓應力頻繁交替出現,這也容易導致縱向裂縫的形成。

2.4.2 梁底橫向裂縫

底板橫向裂縫主要由超載作用引起,在1.2倍公路-I級荷載作用下,箱梁承載能力和抗裂性能嚴重不足,截面出現大于限值的橫向裂縫。

2.4.3 結構完整性受損

梁底裂縫的產生導致橋梁結構的完整性受到破壞,對橋梁的承載能力和安全性產生了負面影響。當梁底發生裂縫時,原本連續的結構被打斷,使得橋梁的受力傳遞受到干擾和削弱。裂縫的存在會導致梁底的剛度降低,使得梁體在荷載作用下產生較大的撓度和變形,進而影響橋梁的整體穩定性。梁底裂縫還會增加橋梁的應力集中區域,使得裂縫周圍的混凝土承受更大的應力,進一步加劇了結構的破壞。這可能導致裂縫的擴展和混凝土的剝落,進一步削弱了橋梁的承載能力。特別是在長期使用和不斷受到交通荷載作用的情況下,梁底裂縫可能會逐漸擴大,導致橋梁的結構完整性更加受損。

3 改造加固方案

3.1 加固方案設計

針對橋梁承載力不足的問題,目前常用的加固方案有4種。

其二，突出各部門各鄉鎮街道的積極協同配合。由于“五水共治”不單單是水利和環保等部門的工作，而是涉及到鄉鎮街道等基層組織的工作，所以就需要通過宣傳報道營造一種各單位、各部門、各鄉鎮街道齊心協力、共同為“五水共治”獻計出力的氛圍。

3.1.1 施加體外預應力法

在箱梁體外增加預應力束,其優點是能夠有效提升橋梁結構剛度,加強主梁抗裂能力;缺點是主梁箱室內高度與鋼束加固效率低。該方法適用于大跨度橋梁結構的加固以及高應力、高應變條件下的混凝土橋梁加固,不適用無防護且溫度高于60 ℃的環境以及混凝土收縮徐變大的橋梁結構。

3.1.2 鋼板粘貼法

在梁底鋼板加固法是在梁底表面焊接或螺栓固定鋼板,以增加梁底的強度和剛度[2]。優點是施工相對簡單,對梁底裂縫的寬度和位置要求較寬松。鋼板加固具有較高的抗拉能力和耐久性,能夠有效抵抗梁底裂縫的進一步擴展。缺點是鋼板的施工成本較高,且鋼板加固法在受到沖擊或震動荷載時可能出現松動或破壞的風險。

3.1.3 碳纖維粘貼法

將碳纖維布或板材粘貼在梁底面,通過碳纖維材料的高強度和剛度來增加梁底的承載能力[3]。碳纖維加固材料具有良好的耐久性和抗腐蝕性,同時對交通影響小且加固不損傷主梁;然而,碳纖維加固法的增強效果受溫度變化和濕度等環境因素的影響較大,需要進行定期檢測和維護。除此以外,施工質量控制難度較高,粘貼操作掩蓋病害影響其發展狀態監測。

3.1.4 置換加固法

通過在梁底設置新的構件或結構體來替代受損的部分,以增強梁底的承載能力。常見的置換加固方法包括加裝鋼梁、混凝土面板或預制梁等。該方法的優點是能夠在一定程度上恢復梁底的完整性和剛度,提高橋梁的承載能力,適用于梁底裂縫較嚴重、超過修復能力的情況。然而,置換加固法的缺點為施工難度較大,需要進行詳細的結構計算和施工方案設計,成本較高。

通過計算可知,次邊跨和中跨箱梁的抗彎承載能力相差較大,梁體拉應力水平超過規范限值較多,故本次體外束配置采用長、短鋼束相結合的形式,即兩邊跨各配短束、中間四跨配通長束(見圖1)。

圖1 施加體外預應力束(僅示一片邊梁、一片中梁)

根據組合箱梁施加體外預應力束加固后的承載能力驗算結果可知,加固后的箱梁承載能力滿足規范要求,但是富余度較小。為改善橋梁受力狀況和防止后期運營過程中更大的超載作用,進一步增加箱梁剛度,另對組合箱梁底板下緣粘貼鋼板進行加固,每片梁底板粘貼2條寬250 m、厚5 mm的鋼板(見圖2)。

圖2 粘貼鋼板(僅示一片邊梁、一片中梁)

3.2 加固效果分析

3.2.1 承載能力極限狀態計算結果

分析組合箱梁橋改造加固后正截面抗彎承載能力,驗算結果如表3所示。

通過表3可以看出,組合箱梁橋改造加固后,中梁、邊梁在組合Ⅱ作用下,正截面抗彎承載力滿足規范要求。

3.2.2 主應力計算結果

分析組合箱梁橋改造加固后的應力,驗算結果如表4所示。

通過表4可以看出,組合箱梁橋改造加固后,中梁在組合Ⅱ作用下箱梁跨中下緣的最大主拉應力為-1.5 MPa(<-2.7 MPa),墩頂處的主拉應力最大值為-2.4 MPa(<-2.7 MPa),滿足A類構件的要求;邊梁在組合Ⅱ作用下箱梁跨中下緣的最小主應力為-2.66 MPa(<-2.7 MPa),墩頂處的最小主應力最大值為-2.5 MPa(<-2.7 MPa),滿足A類構件的要求。

4 結語

預應力混凝土組合箱梁在車輛超載情況下承載力和應力均不滿足規范要求,在采取體外預應力和粘貼鋼板相結合的綜合加固法加固后,橋梁正截面抗彎承載力與應力均有顯著提升,滿足規范要求,說明該加固方法設計合理,希望可以為后續類似的橋梁加固工程提供一些參考意見。