預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋加固設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

張勝

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預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋加固設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

張勝

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙, 410082)

某預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋運(yùn)營(yíng)15年后, 箱梁內(nèi)外出現(xiàn)了較多的裂縫、鋼筋銹蝕和臺(tái)后填土沉降等病害, 已影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用和安全。根據(jù)該橋的質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告, 提出了箱梁頂板采用增厚鋼筋混凝土、箱室頂板內(nèi)表面采用粘貼鋼板和碳纖維相結(jié)合以及箱梁腹板粘貼鋼板的加固方法。通過(guò)理論計(jì)算和荷載試驗(yàn)對(duì)加固后的橋梁承載力進(jìn)行了驗(yàn)算和檢測(cè), 結(jié)果表明, 結(jié)構(gòu)承載力和剛度都有明顯地提高, 能保證橋梁的正常使用。

預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋; 病害分析; 維修加固

公路運(yùn)輸系統(tǒng)中, 橋梁的作用不容忽視。我國(guó)改革開放后, 公路橋梁的建設(shè)飛速發(fā)展, 進(jìn)行了一大批現(xiàn)代化橋梁的建設(shè)。當(dāng)前我國(guó)交通運(yùn)輸中普遍超荷現(xiàn)象嚴(yán)重, 加上長(zhǎng)期使用荷載和環(huán)境因素的作用, 使得一些橋梁的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)安全性和橋梁耐久性退化[1–4]。大量橋梁出現(xiàn)了不同程度的耐久性問題, 存在著安全隱患[5–7], 不能滿足現(xiàn)有交通的要求。鑒于資金短缺和時(shí)間的因素, 對(duì)病害橋梁難以拆除重新再建。世界各地廣泛使用的方法是對(duì)老橋進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸毯透脑? 以保證橋梁更長(zhǎng)時(shí)間的安全運(yùn)行。通常情況下, 對(duì)橋梁進(jìn)行加固改造, 費(fèi)用只有新建橋梁的10%～20%, 且對(duì)橋上運(yùn)輸或橋下通航不產(chǎn)生影響[8]。如何對(duì)現(xiàn)有安全性較低的橋梁進(jìn)行有效可靠的加固, 是我國(guó)橋梁建設(shè)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。因此, 舊橋加固對(duì)我國(guó)橋梁建設(shè)意義重大, 同時(shí)也存在很大的發(fā)展空間[9–10]。

本文針對(duì)某預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)的病害, 提出了一套有效的加固方案, 對(duì)同類型橋梁的加固有指導(dǎo)和借鑒作用。

1 工程概況

某橋總長(zhǎng)250.9 m, 橋面總寬16.0 m。主橋?yàn)?跨等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁, 截面采用雙箱雙室截面, 支座處設(shè)80 cm厚橫梁, 橫梁為單箱3室, 縱向預(yù)應(yīng)力筋為直線束, 無(wú)橫向預(yù)應(yīng)力筋, 引橋?yàn)?跨預(yù)應(yīng)力T梁。橋的主要參數(shù)為: 主橋跨徑布置, 25 + 25 + 40 + 45 + 40 + 40 + 35 (m); 引橋跨徑布置, 1 × 24.8 m; 橋面寬度, 全寬16.0 m, 橫向布置為2 × 1.5 m人行道+ 12 m行車道+ 2 × 0.5 m防撞護(hù)欄; 橋面縱坡小于3%, 橫坡1.0%; 活載等級(jí), 公路Ⅰ級(jí), 人群荷載3.5 kN/m。主橋立面和橫截面布置分別如圖1和圖2所示。

圖1 橋梁立面圖(單位: cm)

(a) 箱梁橫截面尺寸 (b) 1/2 T梁橫截面尺寸

圖2 橋梁橫截面(單位: cm)

2 老橋質(zhì)量現(xiàn)狀

2.1 主要病害

橋梁病害較多, 主要有: (1) 箱梁內(nèi)出現(xiàn)較多的裂縫, 斜裂縫主要出現(xiàn)在支座附近及跨中四分點(diǎn)附近, 寬度普遍較大, 最大寬度約為0.226 mm, 橫向裂縫主要出現(xiàn)在跨中處, 大部分延伸至腹板; (2) 箱室頂板存在順橋向裂縫, 部分箱室內(nèi)存在積水; (3) 支座橫隔板和中橫隔板上部開裂嚴(yán)重; (4) 兩端橋臺(tái)開裂滲水嚴(yán)重, 存在較大面積的護(hù)坡破損; (5) 橋臺(tái)位置的支座開裂變形已失去功能; (6) 主梁裂縫超限, 屬于D級(jí)橋梁。

2.2 病害成因

針對(duì)橋梁不同位置的裂縫進(jìn)行分析, 其可能產(chǎn)生的原因如下。

(1) 主梁跨中底板橫向裂縫。外荷載大于最大設(shè)計(jì)荷載, 加上由于混凝土收縮徐變作用導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失較大, 因此, 在外荷載作用下, 底部拉應(yīng)力大于混凝土能承受的最大拉應(yīng)力。

(2) 主梁支座附近、四分點(diǎn)附近斜裂縫。由于箍筋配置較少, 豎向預(yù)應(yīng)力損失, 導(dǎo)致在外荷載作用下, 主拉應(yīng)力大于混凝土能承受的最大拉應(yīng)力。

(3) 橫隔板及其附近頂板出現(xiàn)的較多裂縫?？缰屑傲憾藱M隔板抗扭剛度偏弱, 橫隔板中橫、豎向預(yù)應(yīng)力損失較大。

(4) 其他裂縫。部分裂縫是由于施工不當(dāng)形成的干縮裂縫, 如澆筑的混凝土沒有按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù), 混凝土由于收縮作用導(dǎo)致了混凝土開裂。

3 主要維修加固措施

由該橋檢測(cè)資料可知腹板和頂板均需加固, 采用加固方案如下。

(1) 主橋箱梁頂板加固。對(duì)于箱室頂板頂面先鑿除現(xiàn)有鋪裝層, 然后采用新加7～13 cm的鋼筋混凝土疊合層來(lái)增加箱梁頂板的厚度以增強(qiáng)承載力的方法進(jìn)行加固處理, 加固處理完后重新鋪裝7 cm厚瀝青混凝土路面(圖3)。對(duì)于箱室頂板底面采用在箱室內(nèi)粘貼2層碳纖維布進(jìn)行耐久性補(bǔ)強(qiáng)處理(圖4)。對(duì)于箱室橫隔梁采用粘貼8 mm和10 mm的鋼板進(jìn)行加固處理(圖5)。

(a) 平面圖布置圖 (b) 1/2橫截面布置圖

圖3 箱梁頂板植筋加固示意圖(單位: cm)

(a) 平面布置圖 (b) 1/2橫截面布置圖

圖4 內(nèi)箱室粘貼碳纖維加固示意圖(單位: cm)

圖5 橫隔板加固示意圖(單位: cm)

(2) 主橋箱梁腹板加固。對(duì)于箱室腹板采用在箱室內(nèi)粘貼8 mm的鋼板進(jìn)行加固處理, 具體加固如圖6所示。

(a) 平面布置圖 (b) 1/2橫截面布置圖

圖6 內(nèi)箱室粘貼鋼板加固示意圖(單位: cm)

4 加固結(jié)構(gòu)驗(yàn)算及效果

結(jié)構(gòu)維修加固后, 結(jié)構(gòu)上增加的荷載主要是新加的箱梁頂板7～13 cm鋼筋混凝土疊合層和粘貼鋼板重量, 約為2.0 kN/m。

4.1 抗剪加固承載力驗(yàn)算

根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T J22-2008)可知, 只需驗(yàn)算最大剪力截面跨度為45 m的橫梁邊緣截面(腹板總寬度為160 cm)及腹板由寬變窄的邊界截面(腹板總寬度為120 cm), 即支座截面和變截面。支座截面的剪力設(shè)計(jì)值為0d= 13 466.7 kN; 腹板變截面位置的剪力設(shè)計(jì)值為0d￠= 10 957.5 kN。結(jié)構(gòu)抗剪能力可按《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行計(jì)算, 即

0d≤ 0.43 × 10-31220cs((2 + 0.6)cu0.5svsv)0.5+ 0.75 × 10-3sdsb+vbd2, (1)

其中,

vb= 0.8sv2/(sv1+ 0.707sbsv2), (2)

式中:0為橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù);d為加固后構(gòu)件驗(yàn)算截面剪力設(shè)計(jì)值;d2為加固后由后期恒載、車輛荷載及其他可變荷載作用下的剪力組合設(shè)計(jì)值;1為異號(hào)彎矩影響系數(shù);2為受壓翼緣的影響系數(shù);2為加固后梁斜截面頂端正截面處腹板寬度(mm);0為加固后梁斜截面受壓端正截面的有效高度(mm);cs為與原梁斜裂縫有關(guān)的修正系數(shù);sv為原梁斜截面內(nèi)箍筋配筋率;sv為原梁箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa);sd為普通彎起鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa);vb為修正系數(shù);sv1為原梁斜截面內(nèi)配置在同一截面的箍筋各肢總截面面積(mm2);sv2為與斜裂縫相交的同一截面后增箍筋各肢總截面面積(mm2)。

對(duì)于支座截面: 由式(1)和式(2)有0d≤ 0.43 × 10-3× 0.9 × 1.1 × 1 600 × 2 500 × 0.835 × ((2 + 0.6 × 2.5) × 500.5× 0.009 04 × 280)0.5+ 0 + 0.408 × 6 961.6 = 14 093 kN > 13 466.7 kN (設(shè)計(jì)值)。

對(duì)于變截面: 由式(1)和式(2)有0d￠≤ 0.43 × 10-3× 0.9 × 1.1 × 1 200 × 2 500 × 0.835 × ((2 + 0.6 × 2.5) × 500.5× 0.009 04 × 280)0.5+ 0 + 0.546 × 5 902 = 11 663 kN > 10 957.5 kN (設(shè)計(jì)值)。

因此, 由以上驗(yàn)算可知, 支座截面和變截面的剪力均滿足規(guī)范要求。

4.2 橫向加固驗(yàn)算

頂板加固后, 根據(jù)受力狀態(tài), 分為在截面受拉區(qū)和受壓區(qū)增設(shè)現(xiàn)澆混凝土加厚層分別驗(yàn)算。

4.2.1 在截面受拉區(qū)增設(shè)現(xiàn)澆混凝土加厚層的驗(yàn)算

對(duì)結(jié)構(gòu)采用最不利布載原則進(jìn)行驗(yàn)算, 根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》, 對(duì)鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的受拉區(qū)進(jìn)行抗彎加固時(shí), 其正截面受彎承載力(圖7)應(yīng)按以下公式計(jì)算,

0d≤cd1(0-/2) +sd1￠s1￠(0-s1￠), (3)

其中,

式中:d為彎矩設(shè)計(jì)值;cd1為原構(gòu)件混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;sd1、sd1￠分別為原構(gòu)件縱向普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;s1、s1￠分別為原構(gòu)件受拉區(qū)和受壓區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積;s2為新增縱向普通鋼筋的截面面積;2為加固后構(gòu)件截面寬度;0為加固后截面有效高度;02為新增縱向普通鋼筋的合力點(diǎn)至截面受壓邊緣的距離;為等效矩形應(yīng)力圖形的混凝土受壓區(qū)高度;s2為新增縱向普通鋼筋的拉應(yīng)力;s2為新增縱向普通鋼筋的彈性模量。

圖7 受彎構(gòu)件的抗彎承載力

由式(3)和式(4)可得cd1(0-/2) +sd1￠s1￠(0-s1￠) = 473.9 kN?m ≥0d= 94.3 kN?m, 因此加固后截面承載力滿足規(guī)范要求。

4.2.2 在截面受壓區(qū)增設(shè)現(xiàn)澆混凝土加厚層的驗(yàn)算

對(duì)于受壓區(qū)增設(shè)現(xiàn)澆混凝土的彎矩值應(yīng)按組合構(gòu)件取值, 根據(jù)規(guī)范其彎矩設(shè)計(jì)值按下面公式計(jì)算:

d=1Gd+2Gd+2Qd。 (5)

式中:1Gd為第1階段預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆混凝土層自重產(chǎn)生的彎矩設(shè)計(jì)值, 取荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)1.2;2Gd為第2階段橋面自重產(chǎn)生的彎矩設(shè)計(jì)值, 取荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)1.2;2Qd為第2階段可變作用(或荷載)產(chǎn)生的彎矩組合設(shè)計(jì)值, 其作用(或荷載)效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)按規(guī)范取值。

由式(3)～(5)可得,=cd1(0-/2) = 22.4 × 1 000 × 102.4 × (258.8 – 102.4/2) = 476.1 kN?m ≥0d= 35.7 kN?m (滿足規(guī)范要求)。

4.2.3 加固后截面尺寸驗(yàn)算

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在截面受拉區(qū)加固和增大梁肋厚度后, 其截面尺寸應(yīng)符合下列要求:

0d1/(101) +0d2/(20) ≤ 0.51 × 10-3cuk0.5(6)

取主跨/4截面進(jìn)行計(jì)算, 有0d1/(101) +0d2/(20) = 1.1 × 23.8/(1 000 × 373) + 1.1 × 155.5/ (1000 × 418.8) = 0.000 478 6 ≤ 0.51 × 10-3cuk0.5= 0.003 606 2 (滿足規(guī)范要求)。

4.3 加固后荷載試驗(yàn)

對(duì)結(jié)構(gòu)加固效果采用荷載試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn), 靜力荷載試驗(yàn)共擬定了8個(gè)試驗(yàn)工況, 分別為: 工況1, 第四跨跨中最大正彎矩, 正載; 工況2, 第四跨跨中最大正彎矩, 偏載; 工況3, 第七跨跨中最大正彎矩, 正載; 工況4, 第七跨跨中最大正彎矩, 偏載; 工況5, 3#墩頂最大負(fù)彎矩, 正載; 工況6, 3#墩頂最大負(fù)彎矩, 偏載; 工況7, T梁跨中最大正彎矩, 正載; 工況8, T梁跨中最大正彎矩, 偏載。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置: 箱梁控制截面為/4、/2及3/4截面; 簡(jiǎn)支T梁控制截面為/2。截面應(yīng)變和撓度測(cè)試結(jié)果分別如表1和表2所示。由試驗(yàn)結(jié)果(表1、表2)可知, 加固后的結(jié)構(gòu)承載力滿足規(guī)范要求。

表1 各工況下箱梁各測(cè)點(diǎn)撓度和應(yīng)變理論值與實(shí)測(cè)值

注: S1—左幅/4截面(墩頂中點(diǎn)), S2—右幅/4截面(墩頂中點(diǎn)), S3—左幅/2截面, S4—右幅/2截面; 撓度為正表示向下?lián)锨冃? 為負(fù)表示向上撓曲變形; 應(yīng)變?yōu)檎硎臼芾? “-”表示沒有測(cè)試。(表2同)

表2 各工況下T梁各測(cè)點(diǎn)撓度和應(yīng)變理論值與實(shí)測(cè)值

續(xù)表2

73#11.5813.920.831131310.8683#8.1013.540.601391560.89 4#13.3214.380.931051160.914#6.9111.320.6169770.90 5#9.8613.920.711171310.895#3.618.670.4232390.82 6#7.4912.600.5968830.826#1.035.960.1713190.68 7#---18270.677#---9140.64

5 結(jié)論

本文所述的對(duì)預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋進(jìn)行加固方案, 采用新加7～13 cm的鋼筋混凝土疊合層對(duì)箱梁頂板進(jìn)行加固, 在箱室頂板底面粘貼2層碳纖維布進(jìn)行耐久性補(bǔ)強(qiáng), 對(duì)箱室橫隔梁采用粘貼8 mm和10 mm的鋼板進(jìn)行加固處理。對(duì)箱梁腹板采用在箱室內(nèi)粘貼8 mm的鋼板進(jìn)行加固。經(jīng)計(jì)算分析知, 加固增加的荷載對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較小, 加固后主梁下緣混凝土拉應(yīng)力有明顯減小, 截面主拉應(yīng)力也有明顯減小, 抗剪能力大幅度提高, 粘貼的鋼板也使結(jié)構(gòu)剛度得到了提高。由此可見采用本文加固方案對(duì)預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋進(jìn)行加固效果明顯, 對(duì)類似工程具有很好的借鑒和指導(dǎo)作用。

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(責(zé)任編校: 江河)

Design plan and checking calculation for the reinforcement of prestressed continuous box girder bridges

Zhang Sheng

(School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410082, China)

A prestressed continuous box girder bridge appeared various diseases in fifteen years, for instance, cracks of the inside and outside surface of the box girder, steel corrosion and the obvious settlement of filling at back abutment. The disease has affected the normal use and safety of the bridge structure. Based on the testing reports of the bridge, a feasible strengthening method is put forward: The roof of box girder is strengthened by the thick reinforced concrete; The top plate of the box is strengthened by steel plate and carbon fiber, and box girder webs is strengthened by steel plate. The carrying capacity of the reinforced bridge is checked by the theoretical calculation and the load test. The results show that the bearing capacity and stiffness of the structure are obviously improved and can meet the requirements of normal use.

prestressed continuous box girder bridge; disease analysis; maintenance and reinforcement

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.04.015

TU 398

1672–6146(2016)04–0063–06

張勝, 370626049@qq.com。

2016–4–26