基于Midas Civil分析的橋梁承載力及維修加固處理

帥培建，楊 潔

（1.重慶中設(shè)工程設(shè)計(jì)股份有限公司，重慶400041；2.重慶市勘測(cè)院，重慶 222000）

1 工程背景及概況

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷深入，城市基礎(chǔ)設(shè)施得到了相當(dāng)程度的發(fā)展。橋梁在城市交通中起著舉足輕重的作用，其功能性能否發(fā)揮對(duì)整條道路的暢通與否有直接影響。為保障橋梁的安全性、了解橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，查明橋梁病害、缺陷，并揭示橋梁安全隱患，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)、加固、維修和保養(yǎng)十分必要。

重慶市沙坪壩區(qū)濱江路羊角堡立交A線匝道橋全長(zhǎng)272m，橋面寬度為9m，共設(shè)3條伸縮縫，與主橋連接處采用FD 80型伸縮縫，其余兩道均為CD 60型伸縮縫；上部結(jié)構(gòu)采用普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，主梁為單箱單室。設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽－超20、掛－120。橋梁建成時(shí)間為1999年，于2013年12月由重慶市市政設(shè)計(jì)研究院工程檢測(cè)中心對(duì)該匝道進(jìn)行檢測(cè)。

2 橋梁主要病害及成因分析

2.1 伸縮縫破損

1）病害成因:由于梁體變形、支座位移、墩柱發(fā)生傾斜等因素致使伸縮縫變寬，止水帶破損、脫落；

2）主要危害:降低了伸縮縫保護(hù)帶的耐久性和行車(chē)舒適性。

2.2 主梁破損露筋

1）病害成因:鋼筋局部布置過(guò)密、混凝土澆筑質(zhì)量較差、振搗未充分導(dǎo)致混凝土保護(hù)層偏薄、破損、露筋銹蝕；施工脫模不當(dāng)或架設(shè)時(shí)撞擊、磕碰，造成梁體混凝土局部破損，部分露筋銹蝕；

2）主要危害:加劇鋼筋的銹蝕，降低橋梁的耐久性。

2.3 主梁裂縫

1）病害成因:主梁脫模過(guò)程操作不規(guī)范；支座脫空或不均勻變形導(dǎo)致主梁受彎扭聯(lián)合作用；由于溫度、收縮及膨脹等因素，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫，在外荷載的作用下，局部微裂縫逐步演變成宏觀裂縫。

2）主要危害:降低了橋梁耐久性，對(duì)橋梁承載能力存在不利影響。

2.4 支座局部脫空、偏移

1）病害成因:支座安裝時(shí)的偏差導(dǎo)致支座脫空，荷載的作用進(jìn)一步加劇了支座的脫空；施工中存在誤差或墩柱傾斜造成支座局部或完全脫空，部分支座位置偏移。

2）主要危害:支座脫空后壓應(yīng)力將會(huì)大大提高，主梁除受彎外還受到扭矩的作用，引起主梁翼緣板縱向開(kāi)裂、改變結(jié)構(gòu)支撐條件。

2.5 獨(dú)柱墩側(cè)傾和伸縮縫錯(cuò)位

橋墩加固的主要目的是提高橋墩的整體承載力。病害成因:橋梁位于曲線段，溫度和離心力作用于梁體，通過(guò)橫向限位支座作用于獨(dú)柱墩上，其剛度小變形較大，長(zhǎng)期反復(fù)作用形成獨(dú)柱墩外傾變形和伸縮縫錯(cuò)位；橋梁左側(cè)山坡坡體發(fā)生移動(dòng)等變化，橋墩被棄土側(cè)向掩埋，使橋墩受到側(cè)向土壓力作用，致使橋墩發(fā)生側(cè)向傾斜。

2.6 直線梁段向上爬移

病害成因:3#伸縮縫和斷縫預(yù)留安裝沒(méi)有考慮溫度下降和后期收縮補(bǔ)償，導(dǎo)致伸縮縫在溫度低的冬天拉壞。橋面垃圾堵塞梁端與背墻的預(yù)留斷縫，限制梁端向下（背墻方向）伸長(zhǎng)，溫度升高梁體只能向上爬移。溫度反復(fù)變化，預(yù)留斷縫不斷變大，直線梁段向上爬移。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

3.1 驗(yàn)算范圍及驗(yàn)算內(nèi)容

驗(yàn)算范圍:上部結(jié)構(gòu)箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩；

驗(yàn)算依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn):驗(yàn)算荷載等級(jí)為汽－超20，掛－120。

3.2 承載能力檢算分析軟件及計(jì)算指標(biāo)

1）使用程序:MIDAS／Civil 2010；

2）構(gòu)件類(lèi)型:鋼筋混凝土；

3）構(gòu)件制作方法:現(xiàn)澆；

4）Z1（舊橋檢算系數(shù)）根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG／T J21－2011）規(guī)范取值為0.95。

3.3 驗(yàn)算內(nèi)容

1）建立主梁模型分析，對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)工況（見(jiàn)圖1、圖2）和更換支座工況（見(jiàn)圖3、圖4）進(jìn)行使用階段正截面抗彎承載力驗(yàn)算，橋梁運(yùn)營(yíng)工況被稱為工況1，更換支座工況為工況2。

2）通過(guò)讀取上部結(jié)構(gòu)的支反力，對(duì)下部橋墩進(jìn)行驗(yàn)算。

3.4 主梁檢算

主梁按直線橋分析，不考慮縱坡的影響，基于空間桿系結(jié)構(gòu)理論建立模型進(jìn)行分析。支座更換時(shí)，不考慮汽車(chē)荷載，同時(shí)6、7、8號(hào)支點(diǎn)可頂升至＋25mm處。

圖1 工況1：主梁正截面抗彎承載力 （最大值）

圖2 工況1：主梁正截面抗彎承載力 （最小值）

計(jì)算表明，主梁各單元截面抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果均滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62－2004）的相關(guān)要求。

3.5 橋墩承載能力檢算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果:5號(hào)支點(diǎn)支反力最大，對(duì)應(yīng)11號(hào)墩位置，墩高為24.5m。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0＝1.1，構(gòu)件彎矩設(shè)計(jì)值Md＝2 438.91kN·m，軸力設(shè)計(jì)值Nd＝5 338.36kN。

圖3 工況2：主梁正截面抗彎承載力（最大值）

圖4 工況2：主梁正截面抗彎承載力（最小值）

按照規(guī)范規(guī)定，正截面抗壓承載力應(yīng)滿足以下要求

代入數(shù)值:Ndu＝Ar2fcd＋Cρr2fsd′＝6 209.45 kN ≥γ0Nd＝1.1×5 338.36＝5 872.2kN，Mdu＝Br3fcd＋Dρgr3fsd′＝583.52kN·m ≥γ0Nde0＝1.1×5 338.36×0.899 24＝5 280.51kN·m。

計(jì)算表明，橋墩抗彎、抗壓承載力驗(yàn)算結(jié)果均滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62－2004）的相關(guān)要求。

3.6 支座驗(yàn)算

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)組合支反力為1 512.95kN，選定的支座型號(hào) GJZF4 400×500×86，其容許最大承壓力為1 911.0kN。

橡膠支座的承壓強(qiáng)度

當(dāng)不計(jì)入制動(dòng)力時(shí)，橡膠支座剪切變形角α需滿足為由上部結(jié)構(gòu)溫度變化、混凝土收縮和徐變等作用標(biāo)準(zhǔn)值引起的剪切變形和縱向力標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的支座剪切變形，tes為支座橡膠層總厚度。代入數(shù)值

支座抗滑穩(wěn)定檢算

由以上計(jì)算可知，支座的選取符合規(guī)范規(guī)定。

4 維修加固方案

4.1 混凝土裂縫處理

對(duì)于寬度＜0.15mm的裂縫，采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行表面封閉處理。對(duì)于寬度≥0.15mm的裂縫，首先采用壓力灌注環(huán)氧樹(shù)脂法進(jìn)行修補(bǔ)，以提高結(jié)構(gòu)耐久性，然后進(jìn)行封閉處理。

4.2 混凝土破損、露筋處理

對(duì)于混凝土破損露筋，首先對(duì)裸露銹蝕鋼筋進(jìn)行除銹，然后采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)處理。孔洞及破損深度超過(guò)5cm的深層疏松區(qū)采用環(huán)氧混凝土修補(bǔ)，未超過(guò)5cm深度用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)；施工前需對(duì)病害混凝土表面的破損、腐化、松散等區(qū)域進(jìn)行鑿除、清理。修補(bǔ)后在其外表面涂刷滲透型鋼筋阻銹劑，滲透進(jìn)混凝土，形成一層保護(hù)膜，以阻止鋼筋銹蝕。

4.3 伸縮縫破損、更換處理

對(duì)于損壞的伸縮縫橡膠條止水帶，應(yīng)從其中心位置破開(kāi)，然后取出破損部分，再用同長(zhǎng)度的相同型號(hào)橡膠條補(bǔ)上缺口，新放入的橡膠條應(yīng)與原橡膠條粘結(jié)牢固。對(duì)扭曲、不平順的橡膠條應(yīng)人工進(jìn)行糾正，保證橡膠條順直。

對(duì)于需更換的伸縮縫應(yīng)將原伸縮縫保護(hù)帶鑿除，露出伸縮縫槽口，安裝新的伸縮縫，要求槽口面平整，型鋼豎直安裝時(shí)伸縮縫的中心線與梁端中心線相重合，且縱、橫坡度符合要求，并與兩側(cè)的瀝青混凝土面平順相接。

4.4 支座銹蝕、偏移處理

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告資料，該項(xiàng)目多處支座出現(xiàn)銹蝕、損壞及偏移等病害，其處理措施如下:

1）對(duì)于輕微銹蝕的支座，對(duì)支座鋼板進(jìn)行除銹及防腐處理；

2）對(duì)于嚴(yán)重銹蝕及損壞的支座，進(jìn)行支座更換處理；

3）對(duì)于支座偏移病害，當(dāng)偏移≥2%的支座，在頂梁后進(jìn)行支移，偏移較小時(shí)在頂梁后進(jìn)行支座調(diào)平。

4.5 墩身加固處理

墩身裂縫修補(bǔ)后，再對(duì)墩身圍束粘貼座進(jìn)行更換，同時(shí)在獨(dú)柱墩及橋臺(tái)臺(tái)帽處增加限位裝置，保證支座不出現(xiàn)偏移脫空的危險(xiǎn)。采用雙向碳纖維布進(jìn)行加固，加強(qiáng)橋墩的承載力，抑制裂縫的擴(kuò)展，提高墩柱的延性。

4.6 獨(dú)柱墩側(cè)傾

從現(xiàn)場(chǎng)看該橋建成后，針對(duì)獨(dú)柱墩側(cè)傾，進(jìn)行加固處理，采取的主要措施:對(duì)曲線段的4#、7#、10#雙柱墩由原來(lái)的支座支撐改為墩梁固結(jié)；對(duì)曲線段的5#、6#獨(dú)柱的墩身下部采用截面增大法進(jìn)行加固處理，其樁基基礎(chǔ)采用增加一個(gè)樁基加橫系梁法進(jìn)行加固處理；從加固效果看獨(dú)柱墩側(cè)傾和伸縮縫錯(cuò)位得到了控制。本次施工擬采取加固措施:梁體與獨(dú)柱墩、橋臺(tái)帽之間的梁增加鋼牛腿擋塊，增加抗橫向側(cè)傾的整體剛度；墩身圍束要粘貼雙向碳纖維布進(jìn)行加固，提高其承載能力；后期加強(qiáng)觀測(cè)，特別是對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響觀測(cè)。

4.7 直線梁段向上爬移

處理措施:更換3#伸縮縫，清理預(yù)留斷縫處的垃圾，防止堵塞斷縫，后期注意伸縮縫的保養(yǎng)，保證其伸縮功能正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)檢測(cè)及驗(yàn)算可知該橋梁的整體狀況合格，橋面鋪裝、伸縮縫及附屬工程存在著大量病害，對(duì)橋梁的使用和耐久性有較大影響，需要對(duì)橋梁進(jìn)行加固維修。

該橋的加固主要是針對(duì)裂縫和附屬工程進(jìn)行加固，橋梁的使用性能和承載力都得到了提高。

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