某預(yù)應(yīng)力混凝土T 型剛構(gòu)橋病害分析與處治對(duì)策研究

熊 杰

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430052）

T 型剛構(gòu)橋具有受力明確，外形美觀、施工快捷、墩梁之間無(wú)需設(shè)置大噸位支座的特點(diǎn)[1]，且為靜定結(jié)構(gòu)體系，墩臺(tái)沉降不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，是我國(guó)20 世紀(jì)建造數(shù)量較多的一種橋型。隨著幾十年的通車運(yùn)營(yíng)，國(guó)內(nèi)T 型剛構(gòu)橋普遍暴露出一些問題：橋面伸縮縫多，橋面平順度差，行車舒適性差；橋梁縱向線形不良，T 構(gòu)懸臂端部下?lián)陷^大；牛腿部位構(gòu)造復(fù)雜，普遍存在裂縫等病害；梁體裂縫等[2-4]。目前，國(guó)內(nèi)采用體外預(yù)應(yīng)力加固是針對(duì)T 型剛構(gòu)橋較為常見的一種方法[5，6]，該方法針對(duì)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重下?lián)?，預(yù)應(yīng)力損失過大等問題處治效果較為明顯，但不能解決牛腿構(gòu)造引發(fā)的系列問題。

連續(xù)剛構(gòu)橋具有橋面伸縮縫少、橋面平順性好、結(jié)構(gòu)整體剛度大等特點(diǎn)，且與T 型剛構(gòu)橋類似，由于墩梁固結(jié)主墩處無(wú)需設(shè)置構(gòu)造復(fù)雜的大噸位支座，因此，考慮將T 型剛構(gòu)橋改造為連續(xù)剛構(gòu)橋即可改善由于T 構(gòu)牛腿引發(fā)的系列問題。該加固方法在國(guó)內(nèi)部分T 構(gòu)橋的維修加固上得到了應(yīng)用，但針對(duì)該方法的研究文獻(xiàn)較少。

基于以上技術(shù)背景，結(jié)合某帶掛梁T 型剛構(gòu)橋，采用將原T 構(gòu)混凝土掛梁替換為鋼箱梁以減輕結(jié)構(gòu)自重，然后將鋼箱梁與原T 構(gòu)懸臂端采用特定方式進(jìn)行固結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)將T 構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)該方法加固橋梁的結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行分析，對(duì)比橋梁加固前后的結(jié)構(gòu)性能，從理論上論證該方法的可行性與優(yōu)越性。

1 橋梁概況

某大橋采用三跨帶掛梁T 型剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)形式，跨徑組合為（29+53+29）m，邊、中跨掛梁長(zhǎng)均為5m，橋面全寬8.5m。上部結(jié)構(gòu)主梁采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主梁高度在主墩處為3.5m，懸臂端為1.5m，T 構(gòu)箱梁采用掛籃法施工。掛梁采用鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)形式，梁高1.5m。下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形截面空心墩，橫橋向長(zhǎng)4m，順橋向?qū)?.8m，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁荷載等級(jí)為：汽車-20、掛車-100。橋梁立面圖如圖1 所示，斷面圖如圖2 所示。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：）

圖2 橋梁斷面布置圖

2 橋梁病害分析

通過近年來對(duì)橋梁外觀狀況檢查以及橋面線形的跟蹤觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)主要問題如下：

2.1 主梁中跨跨中下?lián)?/h3>

該橋中跨范圍縱向軸線的橋面標(biāo)高小于設(shè)計(jì)標(biāo)高，在中跨掛梁位置附近存在明顯下?lián)馅厔?shì)。T 型剛構(gòu)橋下?lián)鲜悄壳霸擃悩蛐洼^為常見的一種病害，其成因復(fù)雜繁多，目前大量的研究成果表明：有效預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變作用、施工質(zhì)量等是引起T 構(gòu)橋下?lián)系闹匾蛩豙7-9]。另外，原橋的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-20，掛-100，建造年代較早，隨著交通量、車輛軸載的不斷提高以及超載現(xiàn)象的時(shí)有發(fā)生，橋梁長(zhǎng)期處于超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，更加劇了結(jié)構(gòu)下?lián)霞傲后w開裂。

2.2 懸臂端牛腿病害

懸臂端牛腿應(yīng)力集中處產(chǎn)生橫向裂縫，掛梁與T 構(gòu)懸臂端產(chǎn)生一定程度錯(cuò)位，橋面系伸縮縫破損嚴(yán)重。牛腿與掛梁接觸點(diǎn)可近似看成集中力作用，牛腿應(yīng)力集中。另外，該橋運(yùn)營(yíng)過程中，T 構(gòu)箱梁懸臂端振動(dòng)明顯，車輛經(jīng)過此處沖擊作用較大，更加劇了牛腿病害的發(fā)展。

2.3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)大、沖擊作用大

橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，振動(dòng)較大，車輛通過牛腿頂部橋面跳車，沖擊作用較大。該橋T 型剛構(gòu)體系為靜定結(jié)構(gòu)，在恒載以及活載作用下，T 構(gòu)懸臂端部的撓度比同樣跨徑的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)大，結(jié)構(gòu)整體剛度小，在車輛荷載作用下，結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值較大。結(jié)構(gòu)明顯的振動(dòng)可能加劇構(gòu)件的疲勞作用，從而減低構(gòu)件的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

2.4 箱梁腹板斜裂縫

箱梁腹板均有一定斜向裂縫，與水平方向夾角35°～50°，裂縫間距為50～100cm，在1/4 跨徑附近較為集中，最大縫寬0.20mm。有效預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、超載、施工缺陷等因素同樣也是導(dǎo)致混凝土梁體開裂的重要原因。

3 處治對(duì)策分析

由于老橋特殊的結(jié)構(gòu)形式，橋梁上部結(jié)構(gòu)豎向剛度較小，結(jié)構(gòu)振動(dòng)大，另外橋梁的收縮徐變的影響，中跨下?lián)蠂?yán)重，加劇降低了橋梁使用過程行車舒適性?？紤]老橋使用時(shí)間較長(zhǎng)，橋梁的收縮徐變以及基礎(chǔ)沉降已基本完成，針對(duì)提高橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度，減小主梁撓度方面著手進(jìn)行全面有效的處治。

3.1 掛梁更換

原結(jié)構(gòu)掛梁與主梁之間伸縮縫破損嚴(yán)重，主梁之間存在錯(cuò)位，車輛駛過存在較大沖擊，且掛梁牛腿處存在嚴(yán)重裂縫病害，從結(jié)構(gòu)安全性與長(zhǎng)期性角度考慮，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行改造。掛梁改造采用將其更換為鋼箱梁的方案，一方面，采用鋼箱梁方案可節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，減小橋梁施工對(duì)現(xiàn)有交通的影響；另外一方面，將原來跨中5m 掛孔混凝土箱梁拆除，更換為鋼箱梁，可有效減小結(jié)構(gòu)自重，這對(duì)結(jié)構(gòu)受力是有利的。

將原結(jié)構(gòu)混凝土掛梁更換為鋼結(jié)構(gòu)箱梁，相當(dāng)于減小T 構(gòu)主梁懸臂恒載，可使T 構(gòu)懸臂段的撓度以及T 構(gòu)主梁懸臂根部的負(fù)彎矩均有效減少，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力是有一定改善。通過理論計(jì)算分析，掛梁更換為鋼箱梁前后在恒載作用下結(jié)構(gòu)的受力變化見表1。

表1 掛梁更換為鋼箱梁前后恒載作用下結(jié)構(gòu)受力變化

3.2 結(jié)構(gòu)體系改造

考慮結(jié)構(gòu)的收縮徐變以及基礎(chǔ)沉降已基本完成，不計(jì)收縮徐變以及基礎(chǔ)沉降對(duì)結(jié)構(gòu)影響，對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行改變，增加橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度，具體做法為將原結(jié)構(gòu)混凝土掛梁更換為鋼箱梁后，采用特定的方式將鋼箱梁與T 構(gòu)懸臂端固結(jié)保持鋼混結(jié)合部位的變形協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)將原T 構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，從而有效提高結(jié)構(gòu)整體剛度。結(jié)構(gòu)改造示意圖如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)改造示意圖

鋼箱梁與混凝土箱梁的連續(xù)采用高強(qiáng)錨固螺栓連接以實(shí)現(xiàn)鋼混結(jié)合部位的變形協(xié)調(diào)，在鋼箱梁與混凝土連接端部設(shè)置隔倉(cāng)作為鋼混過渡段，另外在鋼混結(jié)合部位設(shè)置豎向、順橋向錨栓以實(shí)現(xiàn)鋼箱梁與混凝土箱梁固結(jié)，鋼混連接段示意圖如圖4 所示。

圖4 鋼混結(jié)合部位連接示意圖

結(jié)構(gòu)體系改變后，原T 構(gòu)靜定體系改造為超靜定體系，結(jié)構(gòu)的豎向基頻明顯增大，由原來的1.8Hz增大為3.4Hz，結(jié)構(gòu)體系改變提高了結(jié)構(gòu)整體剛度以及改善結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能。在活載作用下結(jié)構(gòu)墩頂負(fù)彎矩及原T 構(gòu)懸臂端最大撓度均得到較大幅度的改善，通過理論計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)體系改變前后在活載作用下結(jié)構(gòu)的受力變化見表2。

表2 結(jié)構(gòu)體系改變前后活載作用下結(jié)構(gòu)受力變化

3.3 跨中抗彎加固措施

對(duì)于原結(jié)構(gòu)形式，T 構(gòu)懸臂端在恒載以及后期活載作用下始終承受負(fù)彎矩作用，截面下緣未設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，然而將原T 型剛構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)形式后，在后期活載以及部分恒載作用下，跨中段將產(chǎn)生正彎矩作用，跨中段截面下緣將可能產(chǎn)生拉應(yīng)力，對(duì)于結(jié)構(gòu)受力較為不利，因此，有必要考慮最不利荷載工況組合下對(duì)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生拉應(yīng)力的區(qū)域進(jìn)行分析以采取有效的加固補(bǔ)強(qiáng)措施。通過理論計(jì)算分析，在恒載、活載以及溫度變化作用下，中、邊跨原T 構(gòu)懸臂端部附近截面下緣將產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力位置位于原T 構(gòu)懸臂端部，中跨跨中產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)域長(zhǎng)度為21.0m（含鋼箱梁在內(nèi)），邊跨產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)域長(zhǎng)度為11.0m（含鋼箱梁在內(nèi)）。

因此，在中跨以及邊跨對(duì)應(yīng)截面下緣產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)域箱梁底板內(nèi)外側(cè)粘貼鋼板加固以承擔(dān)該區(qū)域內(nèi)拉應(yīng)力作用?；炷料淞旱装逭迟N鋼板加固示意圖如圖5 所示。

圖5 混凝土箱梁底板粘貼鋼板加固示意圖

4 結(jié)論

就某帶掛梁T 型剛構(gòu)橋改造為連續(xù)剛構(gòu)體系加固方法進(jìn)行了理論分析，探討了由改變結(jié)構(gòu)體系T 型剛構(gòu)橋加固方法帶來結(jié)構(gòu)性能變化，主要得出如下結(jié)論：

（1）將原T 剛構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)后，在恒載作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)及位移均比改造之前有所減小，由于該橋掛梁長(zhǎng)度短，替換為鋼箱梁后，能夠減輕自重，但對(duì)結(jié)構(gòu)恒載作用下的內(nèi)力狀態(tài)及位移改善不明顯。

（2）將原T 剛構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)后，在活載作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)及位移均比改造之前得到較大程度減小，這說明，改變結(jié)構(gòu)體系后，結(jié)構(gòu)整體剛度得到較大提升，也就是說，在同樣荷載等級(jí)下，改變結(jié)構(gòu)體系后結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力比改造之前要小得多。

（3）由于原T 構(gòu)箱梁截面底板未配置預(yù)應(yīng)力鋼束，改變結(jié)構(gòu)體系之后，在最不利荷載組合作用下，原T 構(gòu)懸臂端附近截面下緣可能產(chǎn)生拉應(yīng)力，需在箱梁截面下緣產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)域底板內(nèi)外側(cè)粘貼鋼板以抵抗此范圍內(nèi)的拉應(yīng)力作用。

（4）將原T 剛構(gòu)改造為連續(xù)剛構(gòu)后，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性也得到了較大的改善。同時(shí)，結(jié)構(gòu)連續(xù)，消除了橋面多處伸縮縫，橋面行車舒適性也得到了較大的提升。

綜上所述，采用將T 型剛構(gòu)橋改造為連續(xù)剛構(gòu)橋的加固方法能夠達(dá)到改善結(jié)構(gòu)受力特性，增大橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度，減小跨中下?lián)希岣呓Y(jié)構(gòu)的整體承載性能的加固效果；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連續(xù)，可以改善牛腿受力狀態(tài)，增強(qiáng)橋面行車舒適性。該方法所采取的措施是合理可行的，取得的效果是明顯的，該維修加固對(duì)策可供同類工程借鑒。