原太高速K706+547小橋加固設(shè)計(jì)

邱建冬

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

1 橋梁現(xiàn)狀及病害成因

該橋于1998年9月建成通車，橋梁右前夾角為110°，上部結(jié)構(gòu)采用1-16 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺(tái)。橋面凈寬12 m；設(shè)計(jì)荷載為汽-超20級(jí)、掛-120；設(shè)計(jì)地震烈度為8度。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該橋橋臺(tái)完整性較好，發(fā)生了整體沉降。隨著該橋的逐年下沉和瀝青混凝土鋪裝的找平，現(xiàn)橋面鋪裝厚度達(dá)到40 cm。經(jīng)檢測橋臺(tái)邊緣沿勾縫線發(fā)展有梯形裂縫，共發(fā)現(xiàn)有2處，長0.5～1.5 m，縫寬0.3～0.5 cm，均位于原平方向西側(cè)橋臺(tái)處，由于沉降較平緩，裂縫總體上表現(xiàn)的不明顯，橋臺(tái)整體下沉33 cm左右。

橋址區(qū)地形較平緩，跨越的溝渠中部局部地段為負(fù)地形，大致呈鍋底狀，雨季排水較為不暢通，并經(jīng)常存有死水灘，隨后幾日，緩慢下滲至地下深處。根據(jù)原始勘察資料，橋址區(qū)0～10.0 m范圍內(nèi)黃土（粉土）具Ⅱ級(jí)非自重濕陷性（中等），濕陷系數(shù)δs=0.023～0.080，自重系數(shù) δzs=0.015～0.034，自重濕陷量Δzs=6.19 cm，總濕陷量Δs=56.88 cm，橋臺(tái)基礎(chǔ)持力層位于該地層上，雖采用0.5 m厚灰土墊層進(jìn)行地基處理，但處理范圍僅在基礎(chǔ)之下局部范圍內(nèi)，對(duì)基礎(chǔ)周圍地表水的下滲未起防水作用，從而使地表水?dāng)U散運(yùn)移至基礎(chǔ)以下濕陷性黃土之中，在荷載作用下，產(chǎn)生濕陷下沉。其下沉速度較為緩慢，且隨季節(jié)具有一定的規(guī)律，在雨季期間，下沉較迅速，雨季后地下水下滲至地表深處時(shí)，下沉較為緩慢或停止。

根據(jù)地勘報(bào)告,基底附加應(yīng)力為203 kPa，第一層土的平均附加應(yīng)力+自重應(yīng)力約為124.5 kPa，大于9.4 m以上土層的濕陷起始?jí)毫?，故第一層土在上部荷載作用和浸水狀態(tài)下，0～9.4 m范圍內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生附加濕陷變形，變形量為56.88-2.46=54.42 cm。據(jù)以上綜合分析，橋臺(tái)地基沉降量主要由濕陷變形量和土層壓縮變形量組成，其總的變形量為54.42+8.223=62.64 cm，目前已沉降約33 cm，完成總沉降的52.7%，以后還會(huì)繼續(xù)下沉，因此對(duì)其進(jìn)行加固是非常必要的。

2 橋梁的加固處治設(shè)計(jì)

本文針對(duì)其出現(xiàn)的橋臺(tái)整體沉降的病害提出了兩個(gè)具體加固方案。

2.1 方案一

a）在原兩側(cè)橋臺(tái)前1.35 m加設(shè)雙柱式橋墩，形成（1.7+12.6+1.7）m跨徑的雙懸臂板結(jié)構(gòu),橋臺(tái)的支撐作用慢慢消失，新的柱式墩主要起支撐主梁作用，加固方案設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 加固方案圖（方案一）（單位：cm）

b）鏟除后期養(yǎng)護(hù)逐年增加的瀝青混凝土，以減輕上部恒載，利用液壓頂升設(shè)備將空心板抬升，恢復(fù)原橋面的設(shè)計(jì)標(biāo)高。

c）在墩頂原鋪裝層增設(shè)一層直徑25 mm的鋼筋網(wǎng)用以承擔(dān)墩頂負(fù)彎矩。

d）墩蓋梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，頂升主梁，落梁于墩頂支座上，形成雙懸臂結(jié)構(gòu)，完成體系轉(zhuǎn)換。

e）將原橋的背墻和側(cè)墻均相應(yīng)進(jìn)行加高，原橋臺(tái)基礎(chǔ)周圍需做防水封閉處理，以防止其繼續(xù)滲水下沉。

2.2 方案二

a）先采用直徑為127 mm的鉆頭鉆孔，鉆孔按梅花型布置，孔間距為1 m，鉆孔深度為7 m，要求鉆孔必須穿透原橋的擴(kuò)基底部，用直徑為127 mm的PVC管做護(hù)壁。

b）通過PVC管將直徑為110 mm，長度為8 m鋼管樁垂直擊打到原橋擴(kuò)大基礎(chǔ)底以下8 m處，利用鋼管樁加固原有橋位處的地基，通過樁土復(fù)合作用共同承擔(dān)橋梁的上部荷載，加固方案設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 加固方案圖（方案二）（單位：cm）

c）為了減輕上部的自重，鏟除原橋面瀝青混凝土鋪裝25 cm，利用液壓頂升設(shè)備將主梁進(jìn)行頂升，梁下墊增高度為25 cm焊接好的槽鋼，同時(shí)更換原橋支座。

d）待主梁放下與支座緊密結(jié)合好后，需對(duì)橋臺(tái)處進(jìn)行橋面連續(xù)的施工，澆筑鋼筋混凝土和瀝青混凝土，重新攤鋪瀝青混凝土鋪裝層。

e）原橋臺(tái)基礎(chǔ)周圍需做防水封閉處理，以防止其繼續(xù)滲水下沉。

3 設(shè)計(jì)方案比對(duì)

針對(duì)前述橋梁病害以及現(xiàn)行橋梁規(guī)范，為徹底消除隱患，保證現(xiàn)有橋梁的正常使用，本文擬定了兩個(gè)加固設(shè)計(jì)方案，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)方案比選表

4 橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)取值

主梁采用C40預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。

a）一期恒載 預(yù)應(yīng)力混凝土容重取26 kN/m3。

b）二期恒載 橋面鋪裝按照40 cm鋼筋混凝土計(jì)算，容重取25 kN/m3；外側(cè)防撞護(hù)欄取4.2 kN/m；內(nèi)側(cè)防撞護(hù)欄取5.9 kN/m；橋面鋪裝邊板取10 kN/m，中板取12.5 kN/m。

預(yù)應(yīng)力采用低松弛鋼絞線，公稱直徑φs15.2，Ey=1.9×105MPa，fpk=1 500 MPa，單根鋼絞線的控制張拉應(yīng)力為1 125 MPa；預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù)取0.35，預(yù)應(yīng)力錨具回縮值取6 mm。

4.2 橫向分布計(jì)算

由于結(jié)構(gòu)為裝配式空心板，板與板之間采用鉸縫連接，所以橫向分布系數(shù)采用鉸接板梁法。

截面參數(shù) Iyy=0.035 m4，Ixx=0.077 m4，計(jì)算得到剛度參數(shù)γ=0.016，最終得到邊板汽車荷載橫向分布系數(shù)mcq=0.352，故橋面鋪裝取11.9 kN/m；防撞護(hù)欄取1.15 kN/m，所以q二期=13.1 kN/m。

該推薦方案由于結(jié)構(gòu)體系發(fā)生了轉(zhuǎn)變，因此對(duì)其加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算是十分必要的。本橋通過有限元軟件MIDAS-civil建立邊板的模型、加載及計(jì)算。單元采用梁單元進(jìn)行模擬，建立1-16 m的空心板小橋，所建模型共有64個(gè)節(jié)點(diǎn)，63個(gè)單元，邊板模型如圖3所示。

圖3 加固后結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

用部分A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行分析，按照新《公橋規(guī)》[1]對(duì)其進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算和承載能力極限狀態(tài)正截面強(qiáng)度驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如圖4～圖10所示。

a）正常使用正截面抗裂驗(yàn)算。

圖4 短期組合正截面抗裂上緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖5 短期組合正截面抗裂下緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

上緣墩頂附近出現(xiàn)拉應(yīng)力1.21 MPa＜0.7ftk=0.7×2.4=1.68 MPa要求。

b）正常使用斜截面抗裂驗(yàn)算。

圖6 短期組合斜截面主拉應(yīng)力圖（單位：MPa）

墩頂最大拉應(yīng)力1.21 MPa≤0.7ftk=0.7×2.4=1.68 MPa滿足規(guī)范要求。

c）正常使用正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算。

圖7 正常使用截面上緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖8 正常使用截面下緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

墩頂附近下緣截面最大壓應(yīng)力9.27 MPa≤0.5fck=0.5×26.8=13.4 MPa滿足規(guī)范要求。

d）正常使用斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算。

圖9 正常使用斜截面主壓應(yīng)力圖（單位：MPa）

墩頂附近截面最大主壓應(yīng)力9.27 MPa＜0.6fck=0.6×26.8=16.1 MPa滿足規(guī)范要求。

e）使用階段正截面抗彎能力驗(yàn)算。

圖10 使用階段正截面抗彎能力

在承載能力狀況下跨中最大彎矩為1 263.6 kN·m，主梁承載最大彎矩值為1 702.3 kN·m，彎矩儲(chǔ)備值為1.3。

通過對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算表明：橋梁的承載能力滿足現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)荷載的要求。

5 結(jié)論

本文通過K706+547小橋整體沉降病害的分析，對(duì)其提出了兩種加固方案，最終通過造價(jià)、施工工藝、加固效果的比較確定方案一為推薦方案。通過MIDAS-civil軟件對(duì)加固后的橋梁主梁進(jìn)行了計(jì)算分析，根據(jù)《公橋規(guī)》[1]對(duì)其正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力進(jìn)行了驗(yàn)算，包括短期效應(yīng)組合，長期效應(yīng)組合和基本組合下主梁的應(yīng)力均滿足要求，這說明針對(duì)這種病害通過增加橋墩改變?cè)瓨虻慕Y(jié)構(gòu)體系的加固方案，在理論和實(shí)際當(dāng)中均是合理可行的，對(duì)以后該類型橋梁的病害加固提出一定的指導(dǎo)意義。