淺議某工字梁橋船撞病害的機(jī)理分析及加固設(shè)計(jì)

劉志軍 ，柏 平

（1.上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司，上海市 200000；2.江蘇省南通市公路管理處，江蘇南通 226001）

1 項(xiàng)目概況

某工字梁橋原有部分為雙向2車道，建于1989年，后于2000年該橋兩側(cè)拓寬為雙向4車道，設(shè)計(jì)荷載為汽車—20級(jí)，掛車—100。橋梁由三跨16 m的鋼筋混凝土工字組合簡(jiǎn)支梁組成，橋面寬度21 m。上部結(jié)構(gòu)為14片鋼筋混凝土工字型梁預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，橋面鋪裝為瀝青混凝土；下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)與柱式橋墩樁基礎(chǔ)。

由于中孔通航凈空較小，通行船舶噸位較大，梁底經(jīng)常受到船舶撞擊，部分梁體受損較嚴(yán)重。船撞病害主要為梁底主筋、箍筋裸露，個(gè)別主筋彎曲退出受力工作，多片工字梁腹板出現(xiàn)斜向、水平向裂縫，個(gè)別裂縫寬度較大、長(zhǎng)度較長(zhǎng)，橋梁使用性能降低。

橋梁立面圖、橫斷面圖和中跨主筋配置見圖1～圖3。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁跨中橫斷面布置圖（單位：cm）

圖3 主梁主筋布置圖（單位：mm）

橋臺(tái)橋墩由東向西編號(hào)，分別為0#橋臺(tái)、1#橋墩、2#橋墩、3#橋臺(tái)；中跨梁由北至南依次編號(hào)1#～14#主梁，其中6#～9#主梁為老梁，1#～5#主梁及10#～14#主梁為新梁；中跨橫梁由東向西分別為1#、2#橫梁。

支點(diǎn)位置范圍箍筋間距為100 mm，其它位置箍筋間距為200 mm，除了底層主筋，其它主筋在距跨中1.2 m位置逐漸彎起，并配置了斜筋。

2 橋梁主要病害、缺陷及原因分析

2.1 橋梁病害檢查

由于橋梁通航凈空不足，梁底經(jīng)常受到船舶撞擊，受損情況較嚴(yán)重，橋梁撞損典型病害情況見圖4和圖5。

從圖片反映的情況看，梁底混凝土發(fā)生大面積剝離病害，部分區(qū)域主筋、箍筋裸露（1#、2#、5#和14#主梁），個(gè)別主筋彎曲退出工作（1#、5#主梁），多片工字梁（1#、5#主梁等）腹板出現(xiàn)斜向與水平向裂縫，個(gè)別裂縫寬度較大（0.20 mm）、長(zhǎng)度較長(zhǎng)（跨中向兩邊延伸到四分之一跨）。由于主筋的彎曲，對(duì)正截面的承載能力及剛度將造成一定的影響，大面積的混凝土剝離與露筋造成鋼筋表面銹蝕，混凝土開裂對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性不利。

圖4 1#主梁斜裂縫、露筋及主筋彎曲照片

圖5 5#主梁梗腋處水平裂縫照片

2.2 橋梁病害示意圖

圖6、圖7為橋梁主梁病害示意圖。

圖6 橋梁中跨底面病害示意圖（單位：cm）

圖7 受損嚴(yán)重的主梁腹板側(cè)面病害示意圖（單位：cm）

由圖4～圖7可見，1#主梁與5#主梁受損情況最為嚴(yán)重，都出現(xiàn)大面積露筋與局部主筋彎曲病害，且在梁腹板上產(chǎn)生很長(zhǎng)的水平向裂縫及較嚴(yán)重的斜截面開裂情況；其次是2#、14#主梁露筋情況較為嚴(yán)重，其余主梁梁底混凝土輕微剝離。

2.3 橋梁病害原因分析

（1）有限元模型受力分析

為了分析船舶撞擊病害產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在船舶撞擊力的作用下的受力情況進(jìn)行有限元建模分析，用有限元軟件ANSYS建立單片梁的彈性實(shí)體模型。由于橋面板與鋪裝層對(duì)主梁的抗扭約束很大，計(jì)算腹板受力時(shí)，對(duì)工字型梁上表面施加抗扭轉(zhuǎn)約束，考慮加固梁橫梁的連接作用，圖8為端橫梁與中橫梁對(duì)1#主梁腹板的支撐作用示意圖，對(duì)單片梁建模分析時(shí)，在橫梁位置施加約束。

圖8 橫梁對(duì)1#主梁腹板的支撐作用示意圖

參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)中四級(jí)航道500 t級(jí)船舶順橋向撞擊墩臺(tái)的作用標(biāo)準(zhǔn)值按橫橋向550 kN取值，兩根直徑25 mm的二級(jí)鋼筋屈服荷載為275 kN，該橋船只撞擊主要為空載情況下的船篷撞擊，撞擊力按200 kN取值。

在橋梁中跨一側(cè)下翼緣施加5個(gè)40 kN的集中荷載，以模擬船只對(duì)主梁的撞擊作用。分析模型見圖9～圖11。

圖9 模型荷載圖

圖10 變形圖

圖11 豎向應(yīng)力圖

（2）有限元模型分析結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，在200 kN撞擊力下，部分區(qū)域拉應(yīng)力超過C25混凝土的抗拉強(qiáng)度值，除去加載點(diǎn)與約束點(diǎn)的應(yīng)力集中效應(yīng)外，主梁梗腋部位豎向拉應(yīng)力與主拉應(yīng)力最大，達(dá)2.96 MPa，混凝土沿應(yīng)力最大部位開裂形成水平裂縫。

同時(shí)在集中力作用處，有應(yīng)力集中的效應(yīng)，從受力點(diǎn)向上約45°擴(kuò)張，參考該橋拓寬工程設(shè)計(jì)圖紙，在主筋彎曲部位附近有彎起鋼筋存在，船只撞擊致主筋彎曲時(shí)，彎起鋼筋應(yīng)力增大，超出混凝土抗拉設(shè)計(jì)值，混凝土沿著彎起鋼筋開裂剝離，形成類似彎剪裂縫的斜向裂縫。

在船只撞擊作用下，主梁腹板為橫梁與橋面板三面支撐的懸臂板，且為單向板，按照懸臂板理論計(jì)算，理論上梗腋開裂時(shí)，邊緣最大集中荷載與均布線荷載為41.7 kN和19.4 kN/m。開裂后受拉區(qū)混凝土退出工作，發(fā)生應(yīng)力重分布，由于梗腋處箍筋配置未考慮船只撞擊情況，箍筋屈服，考慮到橫梁及周邊結(jié)構(gòu)的作用，水平裂縫目前相對(duì)安全，對(duì)豎向受力影響不大，但需加強(qiáng)防備，盡量避免再次受到大噸位的船只撞擊，如再次受到船只撞擊，需及時(shí)修復(fù)。

3 處置對(duì)策

根據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果，該橋船撞病害處置對(duì)策如下。

（1）主梁斜向裂縫。擬清除斜裂縫部位已剝離的混凝土，對(duì)主梁外側(cè)表層混凝土保護(hù)層不足的情況，均涂抹一層聚合物砂漿。

（2）主梁底混凝土破損剝離部位。擬清除破損的混凝土，用聚合物砂漿修平。

（3）主梁梗腋處水平裂縫。對(duì)主梁整體剛度與承載力影響不大，擬對(duì)裂縫進(jìn)行灌漿處理，增強(qiáng)橋梁的整體性與結(jié)構(gòu)耐久性。

（4）主梁鋼筋的裸露、彎曲變形處。擬清除破損的混凝土，用聚合物砂漿修平后，沿縱向外包鋼板補(bǔ)強(qiáng)。

（5）對(duì)于其它非受力裂縫、寬度大于等于0.15 mm的裂縫采取灌漿處理，小于0.15 mm的裂縫作表面封閉處理。

（6）針對(duì)橋下凈空不足的現(xiàn)狀，擬設(shè)置警示裝置，并在1#和14#主梁外側(cè)涂反光材料，對(duì)船只通行起到警示作用。

4 加固設(shè)計(jì)

4.1 彎曲主筋外包鋼板加固設(shè)計(jì)

從實(shí)際情況看，在正常使用狀態(tài)下，原結(jié)構(gòu)的運(yùn)行情況良好，船只撞擊致1#主梁和5#主梁最下層主筋彎曲退出工作。為了不降低主梁的承載能力，用粘貼鋼板的方法來補(bǔ)充退出工作的主筋，加固鋼板選用A3熱軋鋼板（Q235鋼材）。

主梁下層主筋面積Asl=1 741 mm2，原跨中主筋面積As=5 544 mm2。受損前后，跨中均屬于超筋截面，跨中極限承載能力不降低，剛度有所降低。1#梁主筋彎曲部位距離支點(diǎn)約2 m，參考原設(shè)計(jì)圖紙，受損截面原主筋面積為3 261 mm2，極限承載能力為426 kN·m，下層鋼筋退出工作后，主筋面積為1 520 mm2，極限承載能力為200 kN·m。為了不降低原梁的抗彎剛度和承載能力，并考慮到鋼板二次受力及原梁破損情況，選用6 mm（采用10 m長(zhǎng)鋼板）厚的A3鋼板進(jìn)行外包加固，然后灌注灌漿料（環(huán)氧膠）。鋼板按圖12所示外包于主梁馬蹄底面與側(cè)面。兩側(cè)外邊梁1#和14#主梁外側(cè)設(shè)置防撞警示裝置，提醒過往船只注意橋梁凈空能否通過，盡量減少主梁被撞的機(jī)會(huì)，警示裝置如圖13所示。材料選用薄鋼板材料，并安裝彈簧裝置，使警示板在正常狀態(tài)下，具有一定的剛度保持穩(wěn)定。

圖12 粘貼鋼板橫斷面示意圖（單位：mm）

圖13 警示裝置側(cè)面示意圖（單位：mm）

鋼板長(zhǎng)度需要考慮主筋的失效長(zhǎng)度與鋼板的錨固長(zhǎng)度，計(jì)算得鋼板錨固長(zhǎng)度應(yīng)不小于1.45 m，即鋼板在主筋彎曲部位向兩側(cè)至少延伸1.45 m。

為了保證錨固安全，鋼板端部1 m范圍內(nèi)采用鍍鋅M12化學(xué)螺栓錨固，間距100 mm，中部采用鍍鋅M8螺栓固定，間距120 mm，錨固深度不低于80 mm，錨固位置要避開主筋，在縱向與豎向允許一定的誤差。

4.2 防撞警示裝置設(shè)計(jì)

考慮到橋梁通航凈空不足的問題，擬在中跨

5 結(jié)語

通過對(duì)某工字梁橋主梁受船撞損病害機(jī)理的有限元模擬計(jì)算分析，為該橋的處置對(duì)策和加固設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。現(xiàn)該橋已維修加固，經(jīng)過一段時(shí)期的定期跟蹤觀測(cè)，表明其撞損主梁加固后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)達(dá)到了原設(shè)計(jì)要求，同時(shí)設(shè)置的防撞警示裝置能有效減少橋梁的被撞概率。該橋撞損病害的處治經(jīng)驗(yàn)具有一定的參考價(jià)值，可為同類橋梁提供借鑒作用。