橋梁承載能力加固合理安全儲(chǔ)備研究

余 敏

（平利縣交通運(yùn)輸局，陜西 安康 725599）

預(yù)制裝配式簡(jiǎn)支變連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)裝配化程度高，結(jié)構(gòu)整體受力性能良好[1]，能夠很好地滿足高等級(jí)公路行車高速、平穩(wěn)、舒適的要求，在國(guó)內(nèi)外建設(shè)中應(yīng)用廣泛。受到設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)隨規(guī)范的變化和提升[2]、建設(shè)年代條件所限、設(shè)計(jì)過于追求經(jīng)濟(jì)性、施工不規(guī)范或不當(dāng)、車輛超載、結(jié)構(gòu)材料的劣化以及養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等多種原因，造成預(yù)制箱梁結(jié)構(gòu)病害較突出，典型病害為底板橫向、縱向裂縫，腹板豎向、斜向及縱向裂縫，以及頂板縱向裂縫等大量病害，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)耐久性下降、承載能力不足、剛度降低等一系列問題[3]，直接影響結(jié)構(gòu)安全。

目前的研究主要集中于加固方法[4]及其優(yōu)選[5]，同時(shí)溫樹林等[6]對(duì)在役橋梁加固經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)開展研究，但是對(duì)加固合理的安全儲(chǔ)備缺乏相應(yīng)的研究。裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的加固維修需要一般分為荷載等級(jí)提升需要、補(bǔ)充或保持一定承載能力安全儲(chǔ)備需要、結(jié)構(gòu)抗裂性改善需要和結(jié)構(gòu)剛度提高需要。而目前該部分的研究空白，不能有效指導(dǎo)橋梁加固工程。合理的安全儲(chǔ)備是進(jìn)行加固方法優(yōu)選決策的前提，因此需深入研究結(jié)構(gòu)加固合理安全儲(chǔ)備及設(shè)置策略。

1 承載能力評(píng)定檢測(cè)參數(shù)

橋梁加固前的承載評(píng)定按照J(rèn)TG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》進(jìn)行。

結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)、構(gòu)件表觀質(zhì)量狀況、混凝土強(qiáng)度等11個(gè)檢測(cè)參數(shù)共同確定既有橋梁的結(jié)構(gòu)承載能力抗力。每個(gè)參數(shù)又分為1-5個(gè)標(biāo)度（1標(biāo)度代表參數(shù)完好，5標(biāo)度代表該參數(shù)最差）進(jìn)行評(píng)定。而檢測(cè)參數(shù)會(huì)隨著橋梁運(yùn)營(yíng)年限的增加而不斷惡化，標(biāo)度升高，引起結(jié)構(gòu)承載能力降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力不滿足相應(yīng)荷載等級(jí)的要求。

2 承載能力合理安全儲(chǔ)備研究

對(duì)于待加固結(jié)構(gòu)而言，加固程度并非越高越好，結(jié)構(gòu)最終的承載能力理想狀況下應(yīng)取決于原結(jié)構(gòu)，過大的承載能力提升不但造成材料浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)局部受力造成不利影響。

橋梁結(jié)構(gòu)加固前需按照規(guī)范進(jìn)行承載能力評(píng)定，根據(jù)承載能力評(píng)定得到結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，進(jìn)而確定合理的加固方案。而加固后結(jié)構(gòu)可能隨著時(shí)間的推移再次產(chǎn)生病害導(dǎo)致檢測(cè)參數(shù)的惡化，又需按照評(píng)定規(guī)程重新進(jìn)行承載能力評(píng)定。因此本文研究思路是在加固設(shè)計(jì)階段即考慮后期運(yùn)營(yíng)階段承載能力評(píng)定相關(guān)檢測(cè)參數(shù)標(biāo)度上升后結(jié)構(gòu)仍然能滿足規(guī)范要求，以達(dá)到合理加固的目標(biāo)，避免加固目標(biāo)確定的盲目性。

2.1 承載能力評(píng)定檢測(cè)參數(shù)敏感性分析

影響結(jié)構(gòu)承載能力抗力的檢測(cè)參數(shù)有11個(gè)，但是各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力影響程度不同，因此進(jìn)行檢測(cè)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)承載評(píng)定的影響程度進(jìn)行了研究。

通過廣泛調(diào)研了預(yù)制裝配式箱梁、T梁、空心板、實(shí)心板及現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的承載能力評(píng)定情況，根據(jù)大量資料調(diào)研承載能力評(píng)定參數(shù)中，其中結(jié)構(gòu)的缺損狀況、材料的強(qiáng)度、氯離子含量、沿鋼筋裂縫以及保護(hù)層厚度問題較突出，評(píng)定中的標(biāo)度較高，因此對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。以20 m裝配式預(yù)制箱梁為例，承載能力評(píng)定檢測(cè)參數(shù)敏感性分析如圖1所示。由圖可知，結(jié)構(gòu)的缺損狀況和材料強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力評(píng)定影響最顯著，而缺損狀況下降是實(shí)際結(jié)構(gòu)存在的常見問題。

圖1 檢測(cè)參數(shù)的敏感性分析

在加固工程加固中以影響較大檢測(cè)參數(shù)標(biāo)度上升為控制因素確定合理加固安全儲(chǔ)備，后期運(yùn)營(yíng)中即使相關(guān)檢測(cè)參數(shù)上升后結(jié)構(gòu)承載能力仍然可以滿足規(guī)范的要求，使加固目標(biāo)的確定有據(jù)可依。

2.2 承載能力安全儲(chǔ)備確定

以對(duì)承載能力影響較大同時(shí)也是實(shí)際工程中最易出現(xiàn)問題的缺損狀況和材質(zhì)狀況為基本參數(shù)，通過控制檢測(cè)參數(shù)下降后結(jié)構(gòu)仍能滿足規(guī)范要求，達(dá)到控制合理的加固安全儲(chǔ)備的目的，對(duì)中小跨徑橋梁開展充分檢測(cè)分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定值為原承載能力的99%~87%，即承載能力降低了1%~13%（缺損狀況和材質(zhì)狀況一般均下降2個(gè)標(biāo)度）。因此一般推薦結(jié)構(gòu)加固承載能力儲(chǔ)備不小于13%。保證橋梁結(jié)構(gòu)加固后結(jié)構(gòu)經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)其檢測(cè)參數(shù)下降后結(jié)構(gòu)仍然能滿足規(guī)范要求。

3 依托工程應(yīng)用研究

3.1 依托工程簡(jiǎn)介

某特大橋位于西安繞城高速南段，修建于2002年，全長(zhǎng)3 245 m，中心樁號(hào)為K68+224，上部結(jié)構(gòu)采用（40.19+8×40.34）m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁+13×（40.34+2×40.3+40.34）+[（40.34+40.3+32.15+32.19）（右半幅）（32.19+32.15+40.3+40.34）（左半幅）]+2×（30.24+3×30.2+30.24）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+5×30.24 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁+（30.24+4×30.2+30.14）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁；橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：汽車-超20，掛車-120級(jí)。

在2014-2015年度繞城高速公路長(zhǎng)大橋梁檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，在橋梁連續(xù)梁橋跨結(jié)構(gòu)中部分主梁腹板、翼板和底板出現(xiàn)了縱向裂縫；部分主梁出現(xiàn)了腹板豎向裂縫，少數(shù)主梁底板存在橫向裂縫，并與腹板裂縫貫通，呈U型分布；個(gè)別薄壁空心墩蓋梁也出現(xiàn)了超限的豎向裂縫；全橋局部混凝土出現(xiàn)破損露筋等病害，影響橋梁耐久性和安全性。

3.2 原橋承載力評(píng)定

采用通用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示，各控制斷面承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算見表1。另按部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件計(jì)算，主梁抗裂性滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算 單位：kN·m或kN

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

橋梁已運(yùn)營(yíng)10余年，原橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-超20，掛-120級(jí)，受到重載通行、結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較保守、運(yùn)營(yíng)環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了主梁豎向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫、橫向裂縫及濕接縫縱向裂縫、斜向裂縫。從檢測(cè)、荷載試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)構(gòu)分析結(jié)論可知，主梁目前按照承載能力折減后計(jì)算結(jié)果已經(jīng)不能滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范及現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，亟待處置。

3.3 合理安全儲(chǔ)備確定

按照第2節(jié)中承載能力安全儲(chǔ)備控制的相關(guān)要求，針對(duì)目前結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果，確定了承載能力合理安全儲(chǔ)備大于13%。按照這一思路對(duì)該結(jié)構(gòu)采用4種方案進(jìn)行比選，分別是鋼板-混凝土組合加固、體外預(yù)應(yīng)力加固、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固及粘貼鋼板加固。對(duì)4種方案從特點(diǎn)、加固、效果、工藝、要求、對(duì)交通影響、工期等方面進(jìn)行了綜合優(yōu)選。

根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)選結(jié)果以及該橋規(guī)模較大各跨結(jié)構(gòu)實(shí)際差異較大等特點(diǎn)，最終確定對(duì)于病害嚴(yán)重的箱梁所在聯(lián)采用鋼板-混凝土組合加固，對(duì)于其他主梁采用造價(jià)較低的體外預(yù)應(yīng)力主動(dòng)加固方案，加固后進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，結(jié)果見表2。加固后結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，同時(shí)承載能力儲(chǔ)備均大于13%，能夠確保結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后滿足設(shè)計(jì)要求的目的，達(dá)到了加固合理安全儲(chǔ)備控制的要求。

表2 加固后承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算 單位：kN·m或kN

3.4 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析

采用有限元軟件對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固箱梁錨固區(qū)進(jìn)行安全驗(yàn)算，錨固區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸、材料、體外束錨固位置、張拉力根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙取值。錨固區(qū)應(yīng)力如圖3所示。

圖3 體外預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果表明，錨固區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部拉應(yīng)力值較大，最大值為3.65 MPa，位于錨固區(qū)后方0.5 m范圍內(nèi)，因此對(duì)錨固區(qū)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，增加了加勁肋、T型抗剪構(gòu)件及加強(qiáng)錨栓等構(gòu)造，改善了局部受力，保證了結(jié)構(gòu)安全。

3.5 加固效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證加固效果，對(duì)加固前、后結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為使加固前后荷載試驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性，加固后荷載試驗(yàn)測(cè)試截面、加載模式、車輛重量及測(cè)點(diǎn)布置方案與加固前荷載試驗(yàn)一致。加固前后荷載試驗(yàn)理論計(jì)算采用上節(jié)有限元模型。

對(duì)該橋30 m簡(jiǎn)支梁開展加固前后荷載試驗(yàn)的對(duì)比分析，跨中截面加固前后變形和應(yīng)變的理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖4和圖5所示。加固后撓度及應(yīng)變理論值明顯較小，且變形和應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)顯著減小，達(dá)到了提升結(jié)構(gòu)剛度和改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的目的。

圖4 變形對(duì)比

圖5 加固前后應(yīng)變對(duì)比

本橋加固后已經(jīng)安全運(yùn)營(yíng)6年，運(yùn)營(yíng)至5年時(shí)進(jìn)行了承載能力評(píng)定，結(jié)構(gòu)缺損狀況、沿鋼筋裂縫均上升了1個(gè)標(biāo)度，承載能力評(píng)定值降低了約4%，但本橋安全儲(chǔ)備達(dá)到了21%，結(jié)構(gòu)的承載能力仍然滿足規(guī)范要求并且有較高安全儲(chǔ)備，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文成果的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于評(píng)定規(guī)程的合理承載能力安全儲(chǔ)備，通過調(diào)研標(biāo)度上升概率較大的檢測(cè)參數(shù)，分析其對(duì)承載能力影響的敏感性，以對(duì)承載能力影響較大同時(shí)也是實(shí)際工程中最易出現(xiàn)問題的缺損狀況和材質(zhì)狀況兩個(gè)參數(shù)為基礎(chǔ)建立了加固工程承載能力合理加固儲(chǔ)備控制方法，提出承載能力提升安全儲(chǔ)備不小于13%，確保結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)檢測(cè)參數(shù)降低后結(jié)構(gòu)仍然能滿足規(guī)范要求。

對(duì)依托工程進(jìn)行了承載能力評(píng)定，確定了承載能力合理安全儲(chǔ)備，對(duì)病害嚴(yán)重的箱梁所在聯(lián)采用鋼板-混凝土組合加固。對(duì)加固橋梁進(jìn)行了加固前后荷載試驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明該橋采用加固后，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等指標(biāo)均有一定幅度的提升并滿足規(guī)范要求，有效地控制了結(jié)構(gòu)合理的安全儲(chǔ)備，同時(shí)加固后運(yùn)營(yíng)多年結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了研究成果的可靠性。