預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫修復(fù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

蔡 磊

（福州新城市政工程設(shè)計(jì)有限公司，福州 350100）

0 引言

近年來,連續(xù)箱梁橋因具有結(jié)構(gòu)剛度大、不易變形、整體性能好及優(yōu)良的抗震性能等優(yōu)點(diǎn), 逐漸在我國公路橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。 但相當(dāng)一部分橋梁由于前期設(shè)計(jì)和施工的不足,或者在后期的超荷載作用下,使得橋梁的結(jié)構(gòu)安全性及耐久性有所退化。 因此,針對(duì)連續(xù)箱梁橋的加固設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有重要意義。

目前, 國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于橋梁的加固方法展開了大量研究,如陳平燕[5]針對(duì)性地提出腹板加厚及增加體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的加固方案, 解決了腹板開裂、 結(jié)構(gòu)剛度不足等問題。譚棟等[6]提出的箱梁底板張拉體外預(yù)應(yīng)力鋼束和張拉縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板兩種加固方案, 均可將底板受力恢復(fù)為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。嚴(yán)慧忠等[7]詳細(xì)闡述了連續(xù)箱梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固的施工監(jiān)控全過程, 對(duì)比分析了加固后主梁的變形、應(yīng)力等參數(shù)的理論值和實(shí)測(cè)值,以期為同類工程的施工監(jiān)控提供參考。黃志斌等[8]通過橋梁荷載試驗(yàn)和長期監(jiān)控進(jìn)行檢查分析, 得出箱內(nèi)張拉體外預(yù)應(yīng)力索和箱外粘貼碳纖維布等加固方式能有效提高橋梁的承載能力、整體剛度和抗裂性能。 以上關(guān)于橋梁加固的研究大多是采用單個(gè)的體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)、 增大截面法或粘貼碳纖維布等方法, 而關(guān)于復(fù)合加固技術(shù)手段的研究還有待進(jìn)一步完善。 基于此,本文針對(duì)某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫、開裂等病害設(shè)計(jì)了一種復(fù)合加固方案,并針對(duì)加固前后橋梁的承載力進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了該加固方案的優(yōu)良效果,以期為類似橋梁的加固設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 工程概括

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋總長165.5m, 主橋跨徑布置為25m+3×38.5m+25m。橋梁采用分離式橋面,單幅橋梁寬度為12.5m,全寬25m,橫向布置2×3.5m 人行道+4×3.75m 車行道+2×0.5m 防護(hù)欄。 橋面鋪裝采用9cm 混凝土+防水層+11cm 瀝青混凝土。 設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí),橋面橫坡為2%,縱坡小于3%。 橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室變截面連續(xù)箱梁,箱梁頂板寬11.5m,底板寬5.2m,支點(diǎn)處梁高5.8m,跨中截面梁高2.6m,箱梁施工采用頂推法,澆筑材料采用C50 混凝土。 下部結(jié)構(gòu)主墩采用鋼筋混凝土箱型薄壁墩,樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁,樁徑60cm,呈梅花形布置。 橋梁立面布置如圖1 所示。

圖1 連續(xù)箱梁橋立面示意圖

1.2 病害分析

該橋在正常運(yùn)營7 年后, 經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)左幅橋梁病害較多,主要表現(xiàn)有：(1)橋梁一跨和五跨處箱梁底板出現(xiàn)較多橫向及縱向裂縫,腹板出現(xiàn)斜向裂縫,頂板出現(xiàn)縱向裂縫,最大裂縫達(dá)到0.23mm,其中混凝土結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)破損露筋；(2)左幅橋梁跨中截面最大撓度設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值偏差達(dá)到3.8cm, 右幅橋梁跨中截面最大撓度偏差達(dá)到3.5cm,結(jié)構(gòu)下?lián)线^大。 初步估計(jì)病害主要是由于車輛超載嚴(yán)重、 縱向和橫向預(yù)應(yīng)力損失較大以及澆筑混凝土未按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)等原因造成。

2 有限元分析

2.1 建立模型

為檢驗(yàn)連續(xù)箱梁橋承載力是否滿足安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)用有限元軟件Midas Civil 建立出現(xiàn)病害橋梁數(shù)值模型,計(jì)算模型中共包含1624 個(gè)單元和1863 個(gè)節(jié)點(diǎn),其中一跨主梁網(wǎng)格劃分模型如圖2 所示。

圖2 橋梁第一跨模型示意圖

計(jì)算模型中主梁均采用梁單元進(jìn)行模擬, 采用獨(dú)立單元模擬橫隔板, 計(jì)算過程中不考慮支座作用的影響,主梁裂縫參照檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。 荷載作用主要考慮：恒載：混凝土結(jié)構(gòu)自重+二期橋面鋪裝約74kN/m；活載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí),人群活載取3.5kN/m；溫度荷載按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60-2004》要求取值。 上部結(jié)構(gòu)材料主要為C50 混凝土, 縱向預(yù)應(yīng)力剛筋采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線,豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用精軋螺紋鋼,材料具體參數(shù)如表1 所示。

表1 計(jì)算模型材料參數(shù)

2.2 承載力分析

為有效分析橋梁各關(guān)鍵截面極限承載力情況, 運(yùn)用有限元軟件分別計(jì)算各跨跨中截面抗彎承載力、各跨L/4截面抗剪承載力及各主墩截面抗彎承載力, 并將橋梁承載力的計(jì)算極限值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析, 以評(píng)定橋梁承載力是否滿足規(guī)范要求。 橋梁跨中截面抗彎承載力、L/4 截面抗剪承載力及主墩截面抗彎承載力計(jì)算結(jié)果分別如表2、3、4 所示。

表2 主跨跨中抗彎承載力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2 可知, 主梁各跨中截面抗彎承載力出現(xiàn)較大程度下降,其中第二跨、第三跨跨中截面抗彎承載力基本滿足該橋極限承載力設(shè)計(jì)要求,但第一跨、第三跨及第五跨跨中截面抗彎承載力均已低于設(shè)計(jì)值, 相對(duì)于設(shè)計(jì)極限值分別低了約7.3%、3.8%和7.8%, 已無法滿足橋梁跨中截面抗彎承載力要求。

表3 主跨L/4 截面抗剪承載力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3 可知,橋梁各主跨中L/4 截面抗剪承載力出現(xiàn)較大程度下降,其中第一跨、第三跨及第五跨跨中L/4截面的抗剪承載力均已低于設(shè)計(jì)值, 相對(duì)于設(shè)計(jì)極限值分別低了約12.3%、4.3%和10.5%, 均已無法滿足橋梁主跨L/4 截面抗剪承載力設(shè)計(jì)要求,但其它各跨L/4 截面的抗剪承載力基本滿足該橋極限承載力設(shè)計(jì)要求。

表4 主墩截面抗彎承載力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4 可知, 各主墩截面的抗彎承載力均要高于原橋設(shè)計(jì)值,2 號(hào)主墩～5 號(hào)主墩的抗彎承載力計(jì)算值分別高于設(shè)計(jì)值約23.2%、24.6%、24.1%和22.6%,均滿足橋梁主墩承載力設(shè)計(jì)要求。 綜合來看,由于橋梁第一跨、第三跨與第五跨的承載力不足, 最終導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)腹板斜裂縫、底板開裂以及跨中最大撓度偏差較大等病害。

3 復(fù)合加固設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)橋梁的檢測(cè)及承載力驗(yàn)算分析, 承載力不足與裂縫的存在給橋梁的安全運(yùn)營帶來了較大風(fēng)險(xiǎn), 為保證橋梁的正常使用, 現(xiàn)計(jì)劃采用復(fù)合加固法對(duì)橋梁病害進(jìn)行修復(fù)與加固,具體加固措施如下：

(1)在橋梁第一跨及第五跨箱體內(nèi)沿腹板分別增設(shè)6束和5 束15-7 的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束,以降低腹板的主拉應(yīng)力和提高橋梁的承載力儲(chǔ)備；

(2)第一跨及第五跨腹板外側(cè)斜裂縫采用碳纖維進(jìn)行加固,粘貼角度傾斜30°,間距分別為40cm 和50cm；

(3)根據(jù)斜裂縫方向在腹板內(nèi)側(cè)鉚黏鋼板,第一跨、五跨鉚黏間距為40cm,其他各跨間距為60cm；

(4)增大箱梁截面,提高腹板強(qiáng)度,在腹板內(nèi)側(cè)增設(shè)鋼筋網(wǎng),并灌注水泥漿材料進(jìn)行固定,同時(shí)對(duì)鉚黏的鋼板起到保護(hù)作用；

(5)箱梁底板裂縫采用混凝土砂漿進(jìn)行修補(bǔ),并在底板表面刷界面劑防止脫落,厚度為1cm。

4 效果分析

加固后再次運(yùn)用有限元軟件分別計(jì)算各跨跨中截面抗彎承載力、 各跨L/4 截面抗剪承載力及各主墩截面抗彎承載力, 針對(duì)加固前后橋梁的抗彎及抗剪承載力變化情況進(jìn)行對(duì)比分析。 橋梁各跨L/4 截面的抗剪承載力、跨中截面及主墩截面的抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果分別如表5、6所示。

表5 加固后橋梁跨中截面與L/4 截面抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)表5 可知,橋梁采用復(fù)合加固法修復(fù)后,主梁各跨跨中截面及L/4 截面的抗彎承載力和抗剪承載力均得到顯著改善,其中第一、三及五跨跨中截面的抗彎承載力分別增幅約15.3%、8.9%和14.6%,L/4 截面的抗剪承載力分別增幅約24.7%、12.6%和25.2%,經(jīng)評(píng)定橋梁各跨的抗彎承載力及抗剪承載力均已滿足設(shè)計(jì)要求, 說明復(fù)合加固法對(duì)于修復(fù)該橋病害效果顯著。

表6 加固后主墩截面抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)表6 可知,橋梁采用復(fù)合加固法修復(fù)后,橋梁2號(hào)主墩～5 號(hào)主墩的抗彎承載力相對(duì)于加固前分別分別提升了約8.2%、4.2%、3.9%和7.6%,不僅增大了各主墩的抗彎承載力儲(chǔ)備,更給橋梁的長期穩(wěn)定運(yùn)營提供了保障。

5 結(jié)論

本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋加固工程為例,針對(duì)該橋出現(xiàn)的病害設(shè)計(jì)了一種復(fù)合加固方法, 并運(yùn)用有限元軟件對(duì)比分析了加固前后橋梁關(guān)鍵截面的抗彎及抗剪承載力變化情況,得到以下主要結(jié)論：加固前2 號(hào)主墩～5 號(hào)主墩的抗彎承載力計(jì)算值均高于設(shè)計(jì)值, 滿足橋梁主墩承載力設(shè)計(jì)要求,但橋梁第一跨、第三跨和第五跨跨中截面的抗彎承載力分別低于設(shè)計(jì)值約7.3%、3.8%和7.8%,第一跨、第三跨及第五跨跨中L/4 截面的抗剪承載力均已低于設(shè)計(jì)值約12.3%、4.3%和10.5%, 均已無法滿足橋梁承載力設(shè)計(jì)要求。加固后橋梁第一、三及五跨跨中截面的抗彎承載力分別增幅約15.3%、8.9%和14.6%,L/4截面的抗剪承載力分別增幅約24.7%、12.6%和25.2%,經(jīng)評(píng)定橋梁各跨的抗彎承載力及抗剪承載力均已滿足設(shè)計(jì)要求。 由此可知復(fù)合加固法對(duì)于修復(fù)該橋病害效果顯著,可為類似橋梁的加固提供參考和借鑒。