預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋加固設(shè)計

樂榮彪

1 工程概況

某裝配式先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，跨徑組合為2×20 m，兩幅路整體式設(shè)計，單幅橋?qū)挾?5.75 m，由15塊板組成，橋梁橫斷面如圖1所示。板高0.80 m，采用C50混凝土，中板寬1 m，邊板寬1.25 m(懸臂0.25 m)，整體化現(xiàn)澆層厚15 cm，瀝青鋪裝層厚5 cm，預(yù)應(yīng)力鋼束均采用16φs12.7。設(shè)計荷載為汽車—超20，掛—120。

本橋2005年建成通車，主體結(jié)構(gòu)無明顯病害。但由于近年來交通量增長較快，故主管部門要求對原橋荷載設(shè)計等級按現(xiàn)行規(guī)范荷載等級公路—Ⅰ級進(jìn)行安全檢算。

2 原橋檢算

表1 原截面承載能力極限狀態(tài)正截面強(qiáng)度驗算(中板)

原橋上部結(jié)構(gòu)按部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計，現(xiàn)對其進(jìn)行安全性檢算，將預(yù)應(yīng)力混凝土空心板離散為22個梁單元，結(jié)構(gòu)模型見圖2。

橋面瀝青鋪裝層厚9 cm，檢算時，現(xiàn)澆層15 cm參與受力。

在對原橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全驗算后發(fā)現(xiàn)，橋梁上部的長期效應(yīng)組合及短期效應(yīng)組合應(yīng)力均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但1/4L～3/4L截面的極限承載力不滿足規(guī)范要求，需予以補(bǔ)強(qiáng)、加固。

從表1及圖3可以看出，最大計算彎矩Mj=2 040 kN·m，而截面極限承載力只有1 770 kN，1/4L～3/4L截面的極限承載力不滿足規(guī)范要求。

3 加固方案

對于承載能力不能滿足規(guī)范要求的情況，結(jié)合本橋?qū)嶋H情況，提出了以下三種方案:

1)拆除原橋上部板塊，重新按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計，以滿足規(guī)范要求，保證行車安全;

2)拆除原橋橋面鋪裝，在板頂設(shè)置疊合梁，改變板中和軸位置，以此提高板塊的承載能力;

3)在板底粘貼鋼板，以提高板的承載能力。

方案比較:拆除原橋上部，更換橋面系，能很好地保證橋梁的安全性及耐久性，但中斷交通時間太長，造價高，社會負(fù)面影響大;在橋面設(shè)置疊合梁，具有中斷交通時間短，造價低的優(yōu)點，但提高橋梁的承載能力有限，安全儲備不足;在梁底粘貼鋼板的加固方案，可以根據(jù)需要，計算鋼板的厚度及寬度，不但可以保證橋梁的安全性及耐久性，而且具有工期短，造價省的優(yōu)點。

故本橋采用粘貼鋼板加固法來提高空心板的承載力。

4 加固設(shè)計

本橋在加固設(shè)計的承載力計算時，不考慮受壓區(qū)鋼筋的作用。中板、邊板預(yù)應(yīng)力鋼筋采用16φs12.7的鋼絞線，鋼束總面積Ap=16 ×98.7=1 579.2 mm2，抗拉設(shè)計強(qiáng)度 fpd=1 260 MPa，粘貼鋼板等級為Q345，抗拉設(shè)計強(qiáng)度fsn=280 MPa，C50的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值 fcd=22.4 MPa。

最大計算彎矩設(shè)計值，中板為Mj=2 040 kN·m，邊板為Mj=2 300 kN·m。

將空心板簡化為工形截面，見圖4，圖5。

下面以中板為例，介紹一下本橋的加固設(shè)計。

加固措施:擬在梁底粘貼兩條210 mm寬，4 mm厚的Q345級鋼板，粘貼鋼板面積Asn=2×210×4=1 680 mm2。首先，判別受壓區(qū)是否考慮腹板作用:

fcdbfhf=22.4×1 000×(70+150)=4 928 000 N。fpdAp+fsnAsn=1 260×1 579.2+280×1 680=2 460 192 N。由于滿足:fcdbfhf＞fpdAp+fsnAsn條件，應(yīng)按梁寬bf=1 000 mm的矩形截面計算，即不考慮腹板作用。

截面加固后，板高為800+150=950 mm，預(yù)應(yīng)力筋合力點距板底的距離ap=45 mm，粘貼鋼板合力點距梁底距離asn=4/2=2 mm，則所有拉筋合力點距梁底的距離為:

a=(fpdApap+fsnAsnasn)/(fpdAp+fsnAsn)=(1 260 ×1 579.2 ×45+280×1 680×2)/(1 260×1 579.2+280×1 680)=36.8 mm。

截面有效高度:h0=950 －36.8=913.2 mm。

由于截面受拉區(qū)有預(yù)應(yīng)力筋，根據(jù)“公橋規(guī)JTG D62-2004”第5.2.1條，截面相對界限受壓區(qū)高度 ξb=0.4，按以下公式可解得截面受壓區(qū)高度x:

fcdbfx=fpdAp+fsnAsn。

解上式得:x=(fpdAp+fsnAsn)/fcdbf=(1 260×1 579.2+280×1 680)/(22.4 ×1 000)=109.8 mm ＜ξbh0=0.4 ×913.2=365.3 mm。

正截面抗彎承載力為:

fcdbfx(h0－x/2)=22.4 ×1 000 ×109.8 × (913.2 －109.8/2)=2 111×106N·mm=2 111 kN·m＞Mj=2 040 kN·m。滿足規(guī)范要求。

極限承載能力——最大抗力及其對應(yīng)的內(nèi)力見圖6。

5 結(jié)語

本橋加固設(shè)計說明，對結(jié)構(gòu)的加固，必須從實際出發(fā)，具體情況具體分析，才能保證加固的有效性和可靠性。通過本橋加固案例，希望對其他橋梁的加固工程有所借鑒。

［1］ JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ JTG/T J22-2008，公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ 單成林.舊橋加固設(shè)計原理及計算示例［M］.北京:人民交通出版社，2007:2.

［4］ 吳建鑫，周 超，邢佳鵬.論舊橋加固方案設(shè)計［J］.山西建筑，2010，36(7):322-323.

［5］ 申紅軍.20 m T異型組合梁橋加固設(shè)計與施工［J］.山西建筑，2011，37(7):154-155.