雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋維修加固設(shè)計(jì)探討

唐賡 毛建平 蔣凌杰

摘要：文章以某雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋維修加固工程為例，結(jié)合該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及通行交通荷載調(diào)查結(jié)果，探討了橋梁病害產(chǎn)生的原因，并提出了三個(gè)維修加固方案進(jìn)行比選分析，確定采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋調(diào)載加固法。通過橋梁荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證了該加固方法的有效性，可為該類結(jié)構(gòu)橋梁維修加固及養(yǎng)護(hù)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋;維修加固;病害成因

中圖分類號(hào)：U445.7⁺2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.043

文章編號(hào)：1673—4874（2020）11-0154-05

0引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋是繼雙曲拱橋之后發(fā)展起來的一種新型的輕型橋梁。因其具有施工簡(jiǎn)便、質(zhì)量輕、造價(jià)低和外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)90年代前深受設(shè)計(jì)者青睞。但該類結(jié)構(gòu)亦存在明顯的缺陷：

（1）承載力差：現(xiàn)役鋼筋混凝土桁架橋建設(shè)年代普遍較早，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)偏低，材料強(qiáng)度偏低，承載力較小，難以適應(yīng)當(dāng)前的交通情況。

（2）整體剛度?。河捎跇?gòu)件尺寸較小，且由多個(gè)預(yù)制桿件拼裝而成，整體性差、剛度小。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，橋梁交通量和荷載等級(jí)不斷提升，該類結(jié)構(gòu)橋梁病害逐步顯現(xiàn)。針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的維修加固方法一般包括：粘貼鋼板和纖維復(fù)合材料、施加體外預(yù)應(yīng)力、增大構(gòu)件截面等。在以往的加固設(shè)計(jì)中，大多數(shù)情況下均未充分考慮到加固前的結(jié)構(gòu)損傷已造成橋梁內(nèi)力重分布，各桿件內(nèi)力與成橋時(shí)存在較大差異。由于橋梁內(nèi)力重分布，部分桿件在恒載作用下已經(jīng)達(dá)到或接近承載極限狀態(tài)，若直接對(duì)其進(jìn)行加固，在二次受力階段原材料仍可能發(fā)生破壞，危及橋梁整體的安全。

為避免上述情況發(fā)生，應(yīng)充分考慮加固前橋梁內(nèi)力重分布帶來的不利影響。依托實(shí)際對(duì)橋梁進(jìn)行維修加固工程，本文提出了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋調(diào)載加固法，并通過實(shí)踐證明了該方法的有效性和適用性，本文方法可為類似項(xiàng)目的開展提供參考和借鑒。

1橋梁病害分析

1.1橋梁概況

某橋全橋長785.5m。上層機(jī)動(dòng)車道為凈8.0m（彎道兩側(cè)各加寬0.75m），下層人行、自行車道為凈5.0m。主橋?yàn)殡p層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁，中跨跨中設(shè)擺柱鉸;橋面橫向全寬采用兩縱向桁片支承聯(lián)接，其高度為6.35m，兩縱向桁片通過橫向安裝行車道、人行道板、橫向橋面鋼筋網(wǎng)和施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋聯(lián)成整體;上弦桿為U形斷面，下弦桿為帶缺口矩形斷面。引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土空心梁（人行橋?yàn)殇摻罨炷罷梁），如圖1所示。主橋最大橋高40m，主墩為4樁式高樁承臺(tái)，樁徑為2.2m;引橋?yàn)殡p柱式橋墩，其直徑為1.0m、1.2m和1.4m，明挖擴(kuò)大混凝土基礎(chǔ)，橋臺(tái)為重力式漿砌片石U形橋臺(tái)。橋面鋪裝為水泥混凝土橋面鋪裝。該橋于1995年7月通車。設(shè)計(jì)車輛荷載：汽車一超20級(jí)、掛車一120;人群荷載為3.5kN/m²。

1.2橋梁檢測(cè)結(jié)果概述

該橋1995年建成通車，共進(jìn)行了4次較為全面的外觀檢測(cè)，歷次檢測(cè)橋梁技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定結(jié)果匯總見表1。

根據(jù)2017年橋梁檢測(cè)結(jié)果，本橋技術(shù)狀況評(píng)定為5類，依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，需及時(shí)關(guān)閉交通進(jìn)行維修加固。

以最近一次檢測(cè)結(jié)果為依托進(jìn)行分析，該橋主要結(jié)構(gòu)性病害包括：

1.2.1下弦桿與弦下斜桿交接處（下文簡(jiǎn)稱“三角區(qū)”）裂縫

如圖2所示，裂縫主要分為兩類：（1）弦下斜桿與下弦桿結(jié)合面處開裂，該類裂縫寬度大，伴隨滲水和局部剝落露筋等情況;（2）沿弦下斜桿向下發(fā)展的斜向裂縫。兩類裂縫寬度均超過了規(guī)范規(guī)定的限制值，如圖3所示。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力，對(duì)橋梁進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。結(jié)果表明：（1）各靜載試驗(yàn)工況下，三角區(qū)裂縫開展明顯，表明裂縫受荷載影響較大，影響結(jié)構(gòu)整體受力性能;（2）各靜載試驗(yàn)工況下，主橋三角區(qū)下弦桿與弦下斜桿交接面處存在明顯相對(duì)縱向位移，表明該處結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，連接剛度出現(xiàn)較大削弱，承載力明顯下降。

1.2.2引橋上層小箱梁腹板斜向裂縫

全橋共計(jì)1286道裂縫，最大寬度為2.00mm。根據(jù)裂縫分布、走向及荷載試驗(yàn)結(jié)果可判定為小箱梁斜截面抗剪不滿足要求而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)受力裂縫，如圖4所示。

混凝土連續(xù)剛桁豎桿、斜桿及弦下豎桿等其他構(gòu)件的裂縫。受篇幅限制，不再贅述。

1.3橋梁病害成因分析

結(jié)合近年來橋梁運(yùn)營狀況及試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，分析橋梁病害產(chǎn)生原因：

（1）橋梁周邊交通觀測(cè)站統(tǒng)計(jì)交通量狀況見表2。

由表2可知，近年來各大工業(yè)園區(qū)迅速崛起，物流及人流不斷增長，該橋交通日益繁忙，過橋重車明顯增多，是導(dǎo)致橋梁病害發(fā)展的直接原因。

（2）從橋梁結(jié)構(gòu)特性分析，該類結(jié)構(gòu)橋梁剛度小，承載能力相對(duì)較弱。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通量的逐年增加，該類橋梁整體剛度小的缺陷也漸漸表現(xiàn)出來，橋梁易出現(xiàn)裂縫等病害，影響橋梁的正常運(yùn)營。

（3）三角區(qū)為弦下斜桿、下弦桿及豎桿的相交點(diǎn)，結(jié)構(gòu)受力較集中，應(yīng)力分布復(fù)雜，在超載情況下容易發(fā)生開裂。

根據(jù)2012年檢測(cè)報(bào)告，三角區(qū)已存在裂縫，豎桿、弦下豎桿未見明顯的受力裂縫。經(jīng)過幾年的運(yùn)營，2017年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)22^#跨22^#墩處右側(cè)三角區(qū)病害較嚴(yán)重，三角區(qū)短豎桿出現(xiàn)斜裂縫，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向錯(cuò)動(dòng)。其余三角區(qū)病害均表現(xiàn)為混凝土開裂，結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)跡象，疑為施工時(shí)三角區(qū)先后澆筑混凝土由于齡期差異、收縮徐變等引起的新舊混凝土結(jié)合面開裂，在超載作用下，容易造成裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大。弦下斜桿與下弦桿交接處節(jié)點(diǎn)剛度受到嚴(yán)重削弱后，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)力重分布，導(dǎo)致豎桿出現(xiàn)受力裂縫，弦下豎桿發(fā)生破壞性損傷，危及橋梁整體結(jié)構(gòu)安全。

2維修加固設(shè)計(jì)

2.1加固設(shè)計(jì)原則

本次加固設(shè)計(jì)并未改變?cè)瓨蛄旱闹饕Y(jié)構(gòu)，故對(duì)于設(shè)計(jì)速度、橋面寬度、河流通航標(biāo)準(zhǔn)等方面仍然維持原標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)外觀檢測(cè)及荷載試驗(yàn)結(jié)論，主橋試驗(yàn)跨整體承載力不滿足要求，引橋試驗(yàn)跨小箱梁抗剪承載力不滿足要求。由于原結(jié)構(gòu)為懸拼桁架式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)跨度大、構(gòu)件尺寸較小，其安全儲(chǔ)備不具備加固后滿足現(xiàn)行規(guī)范的條件。本次維修加固采用原設(shè)計(jì)執(zhí)行荷載標(biāo)準(zhǔn)（汽車-超20級(jí)、掛車-120），對(duì)原有結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的病害進(jìn)行維修處治，充分利用原結(jié)構(gòu)，通過加固措施使橋梁承載能力滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

橋梁維修加固設(shè)計(jì)以“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、快速、簡(jiǎn)便、美觀”為原則。

2.2加固方案比選

該橋維修加固的核心內(nèi)容為主橋下弦桿與弦下斜桿交接處（三角區(qū)）維修加固。采用調(diào)載法進(jìn)行加固，加固前將原桁架桿件內(nèi)力及變形調(diào)整至一個(gè)相對(duì)較小的狀態(tài)，以使加固后的結(jié)構(gòu)能夠充分參與受力，達(dá)到較好的維修加固效果。本次加固設(shè)計(jì)提出了三個(gè)維修加固方案，加固內(nèi)容相同，主要區(qū)別在于加固過程中調(diào)整原桁架桿件內(nèi)力及變形的施工方法。三個(gè)方案比選研究如下：

2.2.1維修加固方案一

在20^#～23^#墩墩頂處設(shè)置斜拉索塔，全部拆除下層人行道預(yù)制槽板，拆除斜拉索與橋面系相交位置處的行車道預(yù)制空心板，采用斜拉索對(duì)主橋桁架施加拉力，使三角區(qū)應(yīng)力及弦下斜桿變形得到一定程度的釋放，而后對(duì)三角區(qū)實(shí)施維修加固，對(duì)豎桿、斜桿實(shí)施加固，對(duì)裂縫進(jìn)行處治，對(duì)其他病害進(jìn)行處理，加固完畢后拆除斜拉索及索塔。施工期間，在主橋上弦桿頂設(shè)置臨時(shí)人行道。整個(gè)維修加固過程采用橋梁計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行工況模擬，控制主橋各構(gòu)件在各工況下應(yīng)力不超標(biāo)。如圖5所示。

2.2.2維修加固方案二

全部拆除下層人行道板預(yù)制槽板，全部拆除主橋各跨行車道預(yù)制空心板，加固20^#、21^#、23^#、24^#跨豎桿和斜桿及三角區(qū)，對(duì)全橋裂縫進(jìn)行處治，對(duì)其他病害進(jìn)行處理。解除主橋跨中擺柱，加固22^#跨21^#墩側(cè)半跨的豎桿和斜桿，加固22^#跨21^#墩處三角區(qū)。

22^#跨21^#墩處三角區(qū)維修加固完成后，在跨中擺柱處設(shè)置提升裝置，以22^#跨21^#墩側(cè)懸臂端為支點(diǎn)，對(duì)22^#墩側(cè)懸臂進(jìn)行頂升。為保證結(jié)構(gòu)施工過程安全，22^#跨跨中頂升力不應(yīng)過大，僅靠該處頂升未能達(dá)到預(yù)期的卸載效果，還須在22^#墩承臺(tái)處設(shè)置錨固點(diǎn)，對(duì)該處三角區(qū)弦下斜桿實(shí)施體外索張拉，使該處弦下斜桿預(yù)存一定的壓應(yīng)力，而后對(duì)該處三角區(qū)進(jìn)行增大截面加固。施工期間，在主橋上弦桿頂設(shè)置臨時(shí)人行道，22^#墩側(cè)懸臂頂升階段，22^#跨中區(qū)段30m范圍內(nèi)需懸挑出臨時(shí)人行道鋼挑梁，把臨時(shí)人行道改道至上弦桿范圍之外，如圖6所示。

2.2.3維修加固方案三

全部拆除下層人行道板預(yù)制槽板，全部拆除主橋各跨行車道預(yù)制空心板，在22^#墩頂設(shè)置斜拉塔，采用斜拉索對(duì)主橋桁架22^#跨22^#墩側(cè)懸臂施加拉力，使該處三角區(qū)應(yīng)力及弦下斜桿變形得到一定程度的釋放，加固全橋桁片豎桿、斜桿及三角區(qū)。加固完畢后拆除斜拉索及索塔。施工期間，在主橋上弦桿頂設(shè)置臨時(shí)人行道。如圖7所示。

方案一、二、三均可達(dá)到加固目標(biāo)。比較而言，方案一需設(shè)置4個(gè)臨時(shí)斜拉塔，臨時(shí)工程規(guī)模較大，斜拉體系張拉、調(diào)索過程較復(fù)雜;方案二直接進(jìn)行恒載卸載，且對(duì)22^#跨22^#墩的弦下斜桿進(jìn)行張拉鋼束預(yù)存一定軸壓力，加固效果好，但施工工藝復(fù)雜，施工難度大，存在一定風(fēng)險(xiǎn);方案三直接進(jìn)行恒載卸載，在22^#墩頂設(shè)置一個(gè)斜拉塔，通過張拉斜拉索對(duì)22^#跨22^#墩側(cè)懸臂進(jìn)行內(nèi)力及變形調(diào)整，相對(duì)方案一而言，臨時(shí)工程規(guī)模較小，施工工藝較簡(jiǎn)單，施工難度最小，通過適當(dāng)調(diào)整斜拉索索力，加固效果能滿足規(guī)范要求。本次施工圖設(shè)計(jì)采用方案三。

2.3維修加固效果驗(yàn)證

除表3所列內(nèi)容外，該橋維修加固內(nèi)容還包括：主橋豎桿斜桿加固、三角區(qū)加固、上層行車道預(yù)制空心板更換、下層人行道預(yù)制槽板更換、引橋小箱梁加固或更換、支座更換、人行道T梁加固、上下層橋面鋪裝更換、伸縮縫更換、破損露筋局部維修處治等。

維修加固后進(jìn)行交工驗(yàn)收試驗(yàn)檢測(cè)，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及維修加固情況擬定試驗(yàn)控制斷面及控制桿件示意圖見下頁圖8，橋梁靜載試驗(yàn)工況及加載效率見下頁表4。

靜載試驗(yàn)結(jié)果表明：引橋及主橋主要構(gòu)件應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.56～0.88之間，試驗(yàn)跨撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.49～0.72之間，校驗(yàn)系數(shù)<1.0。說明按本文方法進(jìn)行加固后，橋梁強(qiáng)度和剛度滿足規(guī)范要求。應(yīng)變和撓度相對(duì)殘余均<20%，說明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。試驗(yàn)過程和試驗(yàn)后均未發(fā)現(xiàn)有新增裂縫。綜合試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可判定結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，橋梁維修加固效果顯著。

3結(jié)語

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋因其施工簡(jiǎn)便、質(zhì)量輕、造價(jià)低和外形美觀等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通量逐年增加，該類橋梁整體剛度小的缺陷也漸漸表現(xiàn)出來，橋梁易出現(xiàn)裂縫等病害，影響橋梁安全性和耐久性。橋梁管養(yǎng)過程中有必要對(duì)該類結(jié)構(gòu)橋梁的安全問題進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

（2）在以往的加固設(shè)計(jì)中，大多數(shù)情況下均未充分考慮到加固前結(jié)構(gòu)損傷已造成橋梁內(nèi)力重分布，各桿件內(nèi)力與成橋時(shí)存在較大差異。由于橋梁內(nèi)力重分布，部分桿件在恒載作用下已經(jīng)達(dá)到或接近承載極限狀態(tài)，若直接對(duì)其進(jìn)行加固，在二次受力階段原材料仍可能發(fā)生破壞，危及橋梁整體的安全。為避免上述情況發(fā)生，應(yīng)充分考慮加固前橋梁內(nèi)力重分布帶來的不利影響。依托某橋維修加固工程，本文提出了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛桁橋調(diào)載加固法，并通過實(shí)踐證明了該方法的有效性和適用性。本文方法可為類似項(xiàng)目的開展提供參考和借鑒。