一種對多跨普通鋼筋混凝土梁橋的主動加固方法

李保軍，宋建平

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

在我國普通鋼筋混凝土梁橋，特別是普通鋼筋混凝土空心板梁橋，因其采用簡單便捷的預(yù)制拼裝施工工藝，2004年以前被我國各等級公路廣泛使用。但是隨著材料的老齡化和日益增加的交通量，大部分普通鋼筋混凝土梁出現(xiàn)大量的裂縫，部分裂縫已超過規(guī)范限寬，橋梁承載力和舒適性下降，已經(jīng)滿足不了現(xiàn)行交通需求。若拆掉重建，需投入較大經(jīng)濟(jì)成本。目前對普通鋼筋混凝土梁橋主要的加固方法有[1]：粘貼鋼板或纖維復(fù)合材料、增大截面積、施加體外預(yù)應(yīng)力等。大量實(shí)例及研究表明粘貼鋼板或纖維復(fù)合材料等被動方法加固的效果有限，且新舊材料的粘合好壞程度直接影響加固的效果[2]，從大量常規(guī)加固方法的實(shí)例中可以看出橋梁加固后運(yùn)營不久就會出現(xiàn)新老材料脫離、粘結(jié)力下降等問題，結(jié)構(gòu)裂縫得不到有效限制，甚至發(fā)展成新的裂縫，橋梁承載力提高不顯著。增大截面積法對恒載增加較大，且新舊混凝土界面處因結(jié)合不良易出現(xiàn)裂縫。體外預(yù)應(yīng)力筋或體外預(yù)應(yīng)力碳纖維板等主動加固方法存在有效預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間降低的問題[3-5]，長期加固效果降低明顯。

本文提出的多跨普通鋼筋混凝土主動加固方法，是在由梁受力改變?yōu)榱汗笆芰Y(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，增加頂升梁體獲得有效預(yù)應(yīng)力的方法，能有效提高橋梁承載力，收縮梁體裂縫寬度，提高橋梁的耐久性。該加固方法施工簡單，后期有效預(yù)應(yīng)力可監(jiān)測，且易于提高預(yù)應(yīng)力度。

1 加固方法介紹

本文提出一種對多跨普通鋼筋混凝土梁橋增設(shè)鋼拱片的主動加固方法，該方法是通過在普通鋼筋混凝土梁下設(shè)置鋼拱片，橋臺處鋼拱片拱座通過植入原橋臺的錨栓固定，橋墩處鋼拱片拱座通過植入橋墩蓋梁的錨栓及與墩柱間鋼橫梁焊接固定，鋼拱片和拱座通過焊接固定。鋼拱片兩側(cè)拱腳焊接鋼拉桿鉚座，鉚座間裝置鋼拉桿，拉桿中間設(shè)置花籃螺絲以調(diào)解拉桿內(nèi)力。鋼拱片和普通混凝土梁間設(shè)置鋼支撐柱，每片混凝土梁底根據(jù)受力需要增設(shè)1～2片鋼拱片，鋼拱片橫向間設(shè)置橫聯(lián)形成整體，如圖1所示。拱片和普通混凝土梁間設(shè)置鋼支撐柱，形成加固拱片和原普通鋼筋混凝土梁間的剛性約束支撐體系。鋼支撐柱所提供的豎向力通過臨時(shí)支撐點(diǎn)上的千斤頂頂升后，鋼支撐柱將鋼拱片和混凝土梁間頂緊，釋放臨時(shí)支撐點(diǎn)上的千斤頂，千斤頂上的支撐力轉(zhuǎn)移到永久固定的鋼支撐柱上。普通鋼筋混凝土梁橋增設(shè)鋼拱片的主動加固方法，施工簡單快捷，質(zhì)量容易控制，加固后混凝土梁結(jié)構(gòu)受力明確，內(nèi)力計(jì)算簡單。

圖1 鋼拱片加固示意圖

本文提出的針對多跨普通鋼筋混凝土梁橋的主動加固方法，是基于由梁受力改變?yōu)榱汗笆芰Y(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，增加多點(diǎn)彈性支撐，減小橋梁跨度，增加頂升梁體獲得有效預(yù)應(yīng)力的方法，施工過程基本不影響梁體結(jié)構(gòu)，能有效提高橋梁承載力，減小橋梁撓度，收縮梁體裂縫寬度，提高橋梁的耐久性。該加固方法因設(shè)置水平鋼拉桿平衡水平推力，對橋墩不產(chǎn)生附加彎矩。該加固方法施工快速簡單易行，后期有效預(yù)應(yīng)力可通過鋼支撐力傳感器監(jiān)測確定，通過補(bǔ)充頂升力即可提高梁體有效預(yù)應(yīng)力度。

多跨普通鋼筋混凝土梁橋采用增設(shè)預(yù)加力鋼拱片的主動加固方法后，混凝土梁任意截面的彎矩減小值與拱片提供的豎直向上力P及力的加載位置Xi有關(guān)，受力簡圖如圖2所示。

圖2 加固梁后受力簡圖

加固后混凝土梁任意截面最大彎矩表達(dá)式為：

(1)

支點(diǎn)截面最大剪力表達(dá)式為：

(2)

式中：

qg——恒載均布荷載；

qp——活載均布荷載；

Pp——活載集中荷載；

P——鋼拱片提供的豎直向上集中荷載；

a——混凝土梁任意截面到梁端的距離；

l——混凝土梁計(jì)算跨徑；

Xi——豎直向上集中荷載到計(jì)算截面的距離；

m——計(jì)算截面左側(cè)豎直向上集中荷載個(gè)數(shù)；

n-m——計(jì)算截面右側(cè)豎直向上集中荷載個(gè)數(shù)；

n——豎直向上集中荷載的個(gè)數(shù)；

mc——各片混凝土梁橫向分布系數(shù)，為常數(shù)；

μ——汽車沖擊系數(shù)。

增設(shè)的鋼拱片設(shè)計(jì)的材料和截面尺寸需根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的內(nèi)力確定[6]，鋼拉桿水平拉力表達(dá)式如下：

(3)

鋼拱片拱腳彎矩MA和跨中彎矩MB表達(dá)式分別如下：

MA=X1+X2(d-Rcosφ0)

(4)

MB=X1-X2(R-d)

(5)

式中：

y——彈性中心到拱頂?shù)呢Q向距離；

φ——鋼拱片上任意點(diǎn)的圓心角；

φ0——鋼拱片兩拱腳間的圓心角；

MP——鋼拱片對應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)在豎直向上力P的作用下產(chǎn)生的彎矩；

EI——鋼拱片的抗彎剛度；

EA——鋼拱片的抗壓剛度。

2 工程實(shí)際應(yīng)用

某二級路上的一座三跨16 m跨徑的普通鋼筋混凝土空心板梁橋(見圖3)，橋梁建成于1990年，運(yùn)營27年后，梁底出現(xiàn)較多橫向及斜向裂縫，部分裂縫超過規(guī)范限寬。原橋設(shè)計(jì)荷載等級較低，隨著交通量的日益增加，橋梁承載能力不足，空心板梁跨中附近出現(xiàn)超寬裂縫，因此需要采用一種主動加固方法，以有效地減小混凝土梁跨中彎矩，收縮裂縫寬度，故需對該鋼筋混凝土空心板梁采用梁底增設(shè)鋼拱片的方法進(jìn)行加固(見圖4和圖5)，計(jì)算加固后混凝土梁截面A、B、C彎矩與加固前截面A、B、C彎矩的比值。

圖3 橋梁加固前立面圖(cm)

圖4 橋梁加固后立面圖(cm)

圖5 橋梁加固后橫斷面圖(cm)注：1是普通鋼筋混凝土梁，2是鋼拱片，3是鋼支撐柱，4是拱片間橫聯(lián)

16 m跨徑的普通鋼筋混凝土空心板梁橋，橫向布置19片空心板，空心板汽車最大橫向分布系數(shù)為0.175，汽車沖擊系數(shù)為0.292，恒載均布荷載qg為13.4 kN·m，活載均布荷載qp為10.5 kN·m，活載集中荷載Pp為292 kN。一片鋼拱片上設(shè)置5個(gè)豎直向上力支撐點(diǎn)，按橋梁跨中對稱布置，支撐點(diǎn)間距分布為1 m和2 m，每片梁下豎直向上力P分別按10 kN、15 kN、20 kN三級加載，將以上數(shù)據(jù)帶入公式：

(6)

可得到加固后混凝土梁在2 m間距的豎向力P加載30 kN作用下，跨中彎矩減少了36.4%，各個(gè)計(jì)算截面彎矩減少均在30%以上。在1 m間距的豎向力P加載30 kN作用下，跨中彎矩減少了44.2%。

由此實(shí)例可知，運(yùn)用本文加固方法對混凝土橋梁加固的效果顯著。普通鋼筋混凝土梁通過梁底增設(shè)鋼拱片的主動加固方法，在拱片和混凝土梁間加載的豎向力P為30 kN時(shí)，混凝土梁跨中彎矩減少35%以上，帶來可觀的工程效益。

通過不斷調(diào)整在拱片和混凝土梁間加載的豎向力P的大小及間距，得到不同方案對應(yīng)原普通鋼筋混凝土梁彎矩的減小量情況如表1、表2所示。

表1 間距為2 m時(shí)各級豎向加載下各計(jì)算截面彎矩值結(jié)果表

表2 間距為1 m時(shí)各級豎向加載下各計(jì)算截面彎矩值結(jié)果表

3 結(jié)語

(1)多跨普通鋼筋混凝土梁橋采用增設(shè)預(yù)加力鋼拱片的主動加固方法，能起到對梁橋提供多點(diǎn)支撐豎向預(yù)加力，及由梁橋受力轉(zhuǎn)化為梁拱組合受力的體系轉(zhuǎn)換效果。

(2)多跨普通鋼筋混凝土梁橋采用本文提出的增設(shè)預(yù)加力鋼拱片的主動加固方法，鋼拱片產(chǎn)生的水平力由設(shè)置的鋼拉桿平衡，對橋墩不產(chǎn)生附加彎矩。

(3)采用本文提出的建議計(jì)算公式，可快速計(jì)算出橋梁各截面內(nèi)力及拱片內(nèi)力，可供設(shè)計(jì)參考。

(4)采用本文提出的方法加固后，普通鋼筋混凝土梁彎矩的減小值與拱片和混凝土梁間加載的豎向力P呈線性關(guān)系，豎向力的加大對彎矩的減小作用明顯；拱片和混凝土梁間加載的豎向力P間距越小，越靠近跨中布置，對彎矩的減小越明顯；豎向力P作用范圍內(nèi)混凝土梁各截面彎矩減小較作用范圍外各截面明顯。

(5)采用本文提出的主動加固方法后，混凝土梁跨中彎矩減少35%以上，帶來可觀的工程效益。