基于橋梁荷載試驗方法的混凝土箱梁橋加固改造分析

■江 鵬

（三明市公路事業(yè)發(fā)展中心， 三明 365000）

隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，多數(shù)舊橋的技術(shù)狀況已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有交通的正常通行和行車安全的需要，對舊橋的加固改造，提高舊橋的荷載等級及改善舊橋的承載能力，是擺在橋梁管養(yǎng)部門和維修加固部門面前的一道嚴(yán)峻課題。 隨著土工材料的不斷發(fā)展和應(yīng)用，新的土工材料、新的施工工藝、新的施工方法也被廣泛應(yīng)用到公路建設(shè)行業(yè)中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固在危舊橋加固改造領(lǐng)域也得到快速發(fā)展和應(yīng)用，碳纖維材料[1]就是其中典型的一種。 本文以國道G205 線某大橋加固改造項目為背景，主要針對混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)裂縫這一病害，從加固方案設(shè)計、有限元理論計算及成橋荷載試驗，對混凝土箱梁橋粘貼碳纖維板加固方法的成效進(jìn)行分析，試圖量化加固成效，為類似工程提供參考。

1 工程背景

福建某大橋位于國道G205 線上， 上部結(jié)構(gòu)為1×20 m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土簡支箱梁+（51+90+51）m連續(xù)箱梁+4×25 m 連續(xù)箱梁， 橋長320 m， 橋?qū)?2.5 m，設(shè)計荷載為公路-Ⅱ級，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩，灌注樁基礎(chǔ)。 橋梁結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 某橋橋型布置圖

2019 年1 月，業(yè)主組織對該橋進(jìn)行檢測，主要病害情況有： 東引橋第1 跨底板橫向裂縫212 條，腹板豎向裂縫125 條； 主橋箱內(nèi)頂板多處縱向裂縫，寬度最大為0.1 mm；主橋箱梁底板縱向裂縫7條、寬度最大為0.2 mm；引橋箱梁橫向裂縫、腹板豎向裂縫及主橋箱梁頂板縱向裂縫經(jīng)分析判定均為結(jié)構(gòu)性裂縫。2020 年，該橋的病害有所發(fā)展，部分裂縫超限，經(jīng)業(yè)主復(fù)評，該橋技術(shù)狀況評定為4 類橋梁，于2021 年3 月對該橋進(jìn)行加固改造。

2 加固設(shè)計

2.1 加固原則及目標(biāo)

本項目經(jīng)綜合考慮，確定以“技術(shù)成熟，施工難度小，對原結(jié)構(gòu)損失少，處治措施盡量少增加恒載或不增加恒載”為主要原則，以達(dá)到適當(dāng)提升病害構(gòu)件承載能力儲備，提高其安全性和耐久性的目標(biāo)。

2.2 方案比選

目前較常采用的橋梁加固方案為：粘貼碳纖維板、粘貼鋼板、增大截面法、體外預(yù)應(yīng)力加固等方法，結(jié)合本項目的特點，推薦選取粘貼碳纖維板和粘貼鋼板進(jìn)行方案比選（表1）。

表1 加固方案比選

由表1 可知，本橋跨越河流，橋梁長期處于潮濕環(huán)境，對鋼板的腐蝕作用較強(qiáng)，會增加后期的養(yǎng)護(hù)費用， 而粘貼碳纖維板后期基本不需要養(yǎng)護(hù)，更有利于管養(yǎng)單位的管理，同時綜合考慮加固改造的造價經(jīng)濟(jì)性、箱梁內(nèi)外的施工便捷性、環(huán)保、安全及保暢通因素，在粘貼鋼板和粘貼碳纖維板加固兩種方案之間，粘貼碳纖維板法具有工程造價低、施工便捷、安全、基本不增加恒載優(yōu)點，因此優(yōu)先選擇粘貼碳纖維板加固法。

2.3 加固措施

加固措施如下：（1）針對主橋箱梁頂板裂縫，采用封閉裂縫，橫橋向粘貼碳纖維板，增加其安全儲備， 抑制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。 碳纖維板厚度均為1.4 mm，主橋沿橋縱向每隔50 cm 設(shè)1 道橫向碳纖維板。箱梁頂板下緣加固設(shè)計如圖2 所示。（2）針對東引橋箱梁底板橫向裂縫，采用封閉裂縫，縱橋向粘貼碳纖維板增加其安全儲備，抑制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。 碳纖維板厚度均為1.4 mm 的尺寸規(guī)格，箱梁底部沿橫斷面每隔30 cm 設(shè)1 道縱向碳纖維板。 引橋箱梁底板加固設(shè)計如圖3 所示。

圖2 箱梁頂板下緣加固設(shè)計

圖3 引橋箱梁底板加固設(shè)計

3 加固前后橋梁承載能力分析

3.1 理論分析

圖5 主橋抗彎承載力包絡(luò)圖

圖6 引橋結(jié)構(gòu)驗算模型

圖7 引橋抗彎承載力包絡(luò)圖

為了解粘貼碳纖維板的理論加固效果，在加固實施前對主橋及引橋箱梁承載能力進(jìn)行有限元計算分析，按照橋梁結(jié)構(gòu)的三維空間形態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模（圖4～7），應(yīng)用橋梁博士V4.1 程序來對箱梁橫向理論計算分析。 結(jié)合該橋箱梁加固改造的施工流程和結(jié)構(gòu)特點， 將主橋框架劃分54 個單元以進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散分析。 主梁采用C50 混凝土，按照鋼筋混凝土構(gòu)件計算。 引橋共劃分24 個單元，主梁采用C40混凝土。 計算模型不考慮箱梁截面、鋼筋截面折減及承載能力惡化等因素，相應(yīng)系數(shù)未計入。

圖4 主橋結(jié)構(gòu)驗算模型

經(jīng)計算后的主橋箱梁及東引橋粘貼碳纖維板前后承載力對比結(jié)果顯示：主橋箱梁頂板下緣粘貼碳纖維板前主梁跨中截面承載力為145.4 kN·m，粘貼后為150.4 kN·m；東引箱梁底板粘貼碳纖維板前第1 跨跨中截面承載力為35808.2 kN·m，粘貼碳板后為38189.6 kN·m。 可見，粘貼碳纖維板能一定程度上提高結(jié)構(gòu)承載能力，箱梁頂板承載力理論提高了2%，箱梁底板承載力理論提高了7%。

3.2 靜載試驗

3.2.1 試驗對象及加載工況

該橋于2019 年1 月進(jìn)行加固前的荷載試驗，于2021 年6 月加固改造完成，于2021 年7 月進(jìn)行加固后的荷載試驗。 為了更好地將該橋加固前與加固后的效果進(jìn)行對比分析，在加固前和加固后均采用相同的等效荷載對橋梁進(jìn)行靜載試驗。 靜載試驗?zāi)Ｐ筒捎脤I(yè)有限元軟件Midas Civil 建立，該橋上部結(jié)構(gòu)混凝土采用C50 混凝土， 相應(yīng)的彈性模量E=3.45×104MPa，容重γ=25 kN/m3，設(shè)計荷載為公路-Ⅱ級+人群荷載。按照建立模型后的理論計算情況，本次加載車輛引橋選擇用3 輛載重35 t 的三軸后八輪，主橋選擇用8 輛載重35 t 的三軸后八輪，同時結(jié)合該橋具體的病害范圍和程度等情況，選擇第1 跨、 第2 跨及第3 跨作為靜載試驗的代表試驗跨，加載位置為引橋跨中截面（1-1）、主橋跨中截面（2-2）、（4-4）和2# 墩支點（3-3）4 個內(nèi)力控制截面共8 個荷載工況（包含偏載工況），具體如表2、圖8 所示。

表2 加載工況及測試截面

圖8 靜載試驗截面

3.2.2 測點布置

測點布置如下：（1）應(yīng)變測點：在每個測試截面處，在箱梁外底板、腹板、翼緣板和箱梁底板、腹板、頂板相應(yīng)位置布置測點，布置如圖9、10 所示。（2）撓度測點：在2-2、4-4 截面布置撓度觀測點，如圖11 所示。

圖9 引橋跨中截面應(yīng)變測點布置圖

圖11 測試截面撓度測點布置圖

圖10 主橋跨中及支點截面應(yīng)變測點布置圖

3.3 應(yīng)變測試結(jié)果

加固前后采用相同的試驗荷載，在相同位置測試各測點的應(yīng)變值，本文僅對引橋及主橋跨中中載工況下各測點在試驗荷載作用下的實測應(yīng)變值進(jìn)行對比，測試結(jié)果如表3 所示。

由表3 數(shù)據(jù)分析可以看出：（1）引橋在加固前跨中截面測點實測的應(yīng)變校驗系數(shù)值為0.26～0.63；加固后， 跨中截面各測點實測應(yīng)變校驗系數(shù)為0.24～0.58，均滿足規(guī)范[2]要求；加固后實測應(yīng)變值下降0.7～10.0 με，校驗系數(shù)降低7.7%～15.6%，平均降低約11%， 說明引橋箱梁底板粘貼碳纖維板加固后，結(jié)構(gòu)承載能力有所提高。 （2）主橋在加固前跨中截面測點實測的應(yīng)變校驗系數(shù)值為0.58～0.90；加固后， 跨中截面各測點實測應(yīng)變校驗系數(shù)為0.54～0.95，均滿足規(guī)范要求；加固后實測應(yīng)變值下降0.2～3.8 με， 校驗系數(shù)降低1.1%～6.1%， 平均降低約2.5%， 說明引橋箱梁頂板粘貼碳纖維板加固后，結(jié)構(gòu)承載能力改善不明顯。

表3 加固前后試驗荷載作用下應(yīng)變測試結(jié)果

3.4 撓度測試結(jié)果

加固前后各測點在試驗荷載作用下的實測撓度與理論值對比見表4。

由表4 數(shù)據(jù)分析可以看出：（1）引橋在加固前跨中截面各測點撓度實測所得校驗系數(shù)為0.77～0.82； 加固后， 跨中各測點實測撓度校驗系數(shù)為0.66～0.73，符合規(guī)范要求；加固后實測撓度值下降為0.7～1.0 mm， 各測點校驗系數(shù)降低為10.1%～14.3%，平均降低約11.8%左右，表明箱梁底板粘貼碳纖維板加固后的結(jié)構(gòu)剛度有所提高。 （2）主橋在加固前跨中截面各測點撓度實測所得校驗系數(shù)為0.66～0.81；加固后，跨中各測點實測撓度校驗系數(shù)為0.64～0.78，符合規(guī)范要求；加固后實測撓度值下降為0.9～1.7 mm， 各測點校驗系數(shù)降低為2.5%～5.5%，平均降低約3.5%左右，表明箱梁頂板在粘貼碳纖維板加固后的結(jié)構(gòu)剛度改善不明顯。

表4 加固前后試驗荷載作用下?lián)隙葴y試結(jié)果

3.5 裂縫觀測結(jié)果

在荷載試驗過程中，使用裂縫傳感器對引橋及主橋箱梁裂縫封閉部位進(jìn)行監(jiān)測，測得引橋跨中最大裂縫開展為中載滿載作用下，跨中裂縫寬度擴(kuò)展0.06 mm，卸載后完全恢復(fù)；主橋箱梁在荷載作用前后未發(fā)現(xiàn)裂縫新增及擴(kuò)展現(xiàn)象。

4 結(jié)論

文章以某大橋加固改造工程實例為背景，針對橋梁檢測中發(fā)現(xiàn)的箱梁頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)性裂縫等病害，綜合比較采用粘貼碳纖維法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，通過橋梁荷載試驗方法對橋梁實際加固改造效果進(jìn)行綜合分析，可知：（1）綜合加固前后箱梁跨中截面撓度、應(yīng)力的改善情況及裂縫發(fā)展情況，可知粘貼碳纖維板加固方法對于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋承載能力提高效果不明顯，主要原因為該類加固方法為被動加固法，即結(jié)構(gòu)發(fā)生變形之后，加固的材料才能發(fā)揮其加固效果，但對裂縫的抑制能夠起到較好的作用；（2）對于鋼筋混凝土中橋加固，該方法具有明顯效果，橋梁的剛度、強(qiáng)度及抗彎能力有較大幅度提高。 同時粘貼碳纖維板具有經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、效果可靠等優(yōu)勢，可采用此方法對同類橋梁進(jìn)行維修加固處治。