改擴建工程中大挖空率空心板橋力學(xué)性能分析及加固方案研究

張浩

（中交通力建設(shè)股份有限公司，山西 西安 710075）

0 引言

橋梁的拼接加寬是道路改擴建工程中一項十分重要的技術(shù)，在加寬計算中，對拼寬后新橋的加固計算較為復(fù)雜，不能完全按照新規(guī)范計算，同時還涉及新老規(guī)范的對接，目前常規(guī)的做法是，采用新規(guī)范計算拼寬后新橋承載能力極限狀態(tài)，按照舊規(guī)范計算拼寬后新橋的正常使用極限狀態(tài)，本文同時采用新舊規(guī)范計算拼寬前后橋梁的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行對比計算研究，并且根據(jù)計算結(jié)果，研究空心板的加固方案。

1 工程概況

深海高速陽茂段全長79.76km。陽茂高速公路按速度120km/h，雙向四車道高速公路標準設(shè)計，于2002年8 月動工，于2004 年11 月建成通車，近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，廣湛高速公路的交通量急劇增加，部分路段甚至已超出原來的設(shè)計流量，據(jù)相關(guān)資料顯示，陽茂高速2015 年全線平均交通流量已超過45 000pcu/d，個別路段超過50 000pcu/d，服務(wù)水平嚴重下降，已不能適應(yīng)現(xiàn)狀及未來交通發(fā)展的需要，因此組織對本高速公路進行拼接加寬改造。

既有橋梁采用大挖空率的空心板，為4×20m 預(yù)制安裝的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，橫向8 片主梁。擴建后，橫向拼寬8.75m，共計15片主梁。計劃破除既有橋梁現(xiàn)澆層，拼寬后統(tǒng)一澆筑新的現(xiàn)澆層，現(xiàn)對既有空心板進行計算，研究其是否可以進行拼寬利用。

拼寬前主梁截面特性：中板-抗扭慣性矩為18.20E+06cm4，抗彎慣性矩為9.05E+06cm4，邊板-抗扭慣性矩為24.49E+06cm4，抗彎慣性矩為10.17E+06cm4。

拼寬后拼接板主梁截面特性為12.19E+06cm4，抗彎慣性矩為9.12E+06cm4。

2 規(guī)范及工程材料

計算所參照的設(shè)計規(guī)范有：《公路工程技術(shù)標準》（JTG B01—2014）、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021—1989）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ 023—85）。

預(yù)制空心板、現(xiàn)澆濕接橫梁、現(xiàn)澆整體化層采用C40 混凝土，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）驗算時，強度按現(xiàn)行規(guī)范進行折減。橋面鋪裝采用瀝青混凝土。鋼絞線采用低松弛高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼鉸線》（GB/T 5224—2003） 的規(guī)定。單根鋼絞線直徑?=15.2mm，鋼絞線面積Ap=139mm2，標準強度fptk=1860MPa，普通鋼筋采用 HRB335 和 R235 鋼筋。

3 結(jié)構(gòu)計算

3.1 模型建立

建立4×20m 邊板和中板單片主梁桿系模型，各片板共計54 個單元，移動荷載按橫向分布系數(shù)加載。為了施工方便提出簡化加固拼寬方案，即原主梁布置不變，去掉整體化層，架設(shè)加寬梁，重新做現(xiàn)澆整體化層。同時考慮到承載能力問題，拼寬后采用10cm 和15cm 兩種鋪裝層厚度，并對此方案是否可行進行深入研究。

3.2 橫向分配系數(shù)計算

按鉸接板梁法計算的橫向分布系數(shù)見表1。

表1 空心板汽車荷載的橫向分布系數(shù)

3.3 承載能力和正常使用極限狀態(tài)計算

（1）拼寬前舊橋檢算

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）計算空心板承載能力極限狀態(tài)驗算結(jié)果（邊、中跨最不利布置）見表2，其中整體化層10cm，計5cm受力。

表2 拼寬前承載能力極限狀態(tài)驗算

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021—1989）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 023—85） 計算空心板正常使用極限狀態(tài)驗算結(jié)果（邊、中跨最不利布置）見表3，其中整體化層10cm，計5cm受力。

表3 拼寬前正常使用極限狀態(tài)驗算

（2）拼寬后舊橋檢算

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）計算空心板承載能力極限狀態(tài)驗算結(jié)果（邊、中跨最不利布置）見表4，其中整體化層10cm，計5cm受力。

表4 拼寬后承載能力極限狀態(tài)驗算

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）計算空心板承載能力極限狀態(tài)驗算結(jié)果（邊、中跨最不利布置）見表5，其中整體化層15cm，計10cm受力。

表5 拼寬后承載能力極限狀態(tài)驗算

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021—1989）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 023—85） 計算空心板正常使用極限狀態(tài)驗算結(jié)果（邊、中跨最不利布置）見表6，其中整體化層10cm，計5cm受力。

表6 拼寬后正常使用極限狀態(tài)驗算

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021—1989）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ 023—85） 計算空心板正常使用極限狀態(tài)驗算結(jié)果（邊、中跨最不利布置）見表7，其中整體化層15cm，計10cm受力。

表7 拼寬后正常使用極限狀態(tài)驗算

3.4 計算結(jié)果

（1）拼寬后橫向分布系數(shù)整體減小，靠近拼寬側(cè)板橫向分布系數(shù)減小明顯，波形護欄一側(cè)板橫向分布系數(shù)僅減小0.001，拼寬后原內(nèi)邊梁為最不利荷載位置。

（2）舊橋檢算：新規(guī)范檢算，邊板、中板承載能力均不滿足。其中邊板邊跨承載能力欠缺19.06%，邊板中跨承載能力欠缺21.96%；中板邊跨承載能力欠缺14.06%，中板中跨承載能力欠缺15.26%；墩頂負彎矩區(qū)段承載能力均滿足要求。正常使用極限狀態(tài)滿足要求。

（3）拼寬后新橋檢算：整體化層取10cm，計5cm受層力，邊板、中板承載能力均不滿足。其中邊板邊跨承載能力欠缺17.57%，邊板中跨承載能力欠缺20.69%；中板邊跨承載能力欠缺12.26%，中板中跨承載能力欠缺13.64%。墩頂負彎矩區(qū)段承載能力滿足要求。

（4）拼寬后新橋檢算：整體化層取15cm，計10cm層受力，邊板、中板承載能力均不滿足。其中邊板邊跨承載能力欠缺16.56%，邊板中跨承載能力欠缺21.15%；中板邊跨承載能力欠缺13.84%，中板中跨承載能力欠缺10.66%。墩頂負彎矩區(qū)段承載能力滿足要求。

4 加固方案研究

因為舊橋按照新規(guī)范，并且考慮結(jié)構(gòu)損傷，拼寬后采用的簡化加固方案不能滿足新規(guī)范的承載能力要求，因此需要采用更為復(fù)雜的加固方案。

4.1 去梁增肋方案

去梁增肋加固法是針對多梁式橋梁提出的一種新穎的體系加固法。去梁增肋加固法是去掉個別主梁，剩余主梁在原橋梁寬度范圍內(nèi)均勻分布，主梁之間新增預(yù)應(yīng)力混凝土梁肋。新肋與舊梁通過新增橋面鋪裝形成橫向剛度。通過張拉新梁預(yù)應(yīng)力，調(diào)整原主梁應(yīng)力狀態(tài)，達到改善橋梁荷載橫向分布，增強橫向剛度，提高承載力或改善正常使用階段受力狀態(tài)的目的。在研究過程中，根據(jù)新舊梁之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系，分別提出了去梁增肋剛接梁法和去梁增肋鉸接梁法，即新舊梁之間分別采用剛接方式和鉸接方式連接。

本項目提出去掉損害最嚴重的7號梁，拉大主梁橫向間距，在主梁之間做鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和橋面鋪裝層現(xiàn)澆為整體，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

4.2 體外預(yù)應(yīng)力方案

舊橋混凝土老化，強度降低，與預(yù)應(yīng)力鋼筋的黏結(jié)強度下降，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，截面混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得裂縫開展，撓度增大。同時裂縫的開展，空氣中的水和二氧化碳等進入截面，產(chǎn)生鋼筋銹蝕，加快混凝土老化，進而使得承載能力逐漸降低，因此提出采用體外預(yù)應(yīng)力方案。

增加體外預(yù)應(yīng)力等于增大了截面的受壓區(qū)高度，使得受壓區(qū)有更多的混凝土參與承載能力的貢獻，即受壓區(qū)高度剛好滿足界限受壓區(qū)高度，這樣就能最大限度地發(fā)揮梁的受力能力。同時體外預(yù)應(yīng)力可以使已經(jīng)開裂的混凝土閉合，減小空氣雨水對鋼筋的銹蝕，提高梁的耐久性。

4.3 簡支結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)連續(xù)結(jié)構(gòu)方案

舊梁為簡支的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁，在使用過程中預(yù)應(yīng)力損失，混凝土老化等，結(jié)構(gòu)存在撓度大和承載力下降的雙重問題，加之先張法鋼束不上彎，不能更好地參與抗剪，使支點截面產(chǎn)生抗剪能力不足的現(xiàn)象。因此對于多跨簡支體系的先張法板橋提出另外一種方案，即體外預(yù)應(yīng)力加簡支轉(zhuǎn)連續(xù)的組合方案。

假定主梁承受均布荷載q，通過簡支梁計算可以得到主梁跨中彎矩為M=0.125ql2，采用3跨一聯(lián)進行加固，兩側(cè)邊梁布置均布荷載，則邊梁跨中最不利彎矩為M=0.101ql2，則跨中彎矩可減小19.2%。對于承載能力僅小于規(guī)范規(guī)定值不多的梁，此方案可滿足加固要求。

4.4 預(yù)應(yīng)力碳纖維板粘貼方案

混凝土橋梁病害的主要表現(xiàn)形式為受拉區(qū)混凝土開裂、結(jié)構(gòu)下?lián)?，甚至?xí)a(chǎn)生較多的橫向貫穿裂縫，水汽會通過裂縫腐蝕鋼筋，加速橋梁病害發(fā)展。以前傳統(tǒng)的粘貼鋼板的方法使用較多，加固鋼板的作用等同于受拉縱筋，在梁底粘貼加固鋼板后可提高梁截面配筋率和橋梁承載能力，有效增大結(jié)構(gòu)剛度。但這種方案是一種被動加固方案，只有在梁變形的情況下，鋼板才會受力，對于撓度已經(jīng)較大的梁則無法滿足受力要求。此外，鋼板粘貼困難、銹蝕、自重大等缺點也是非常突出的，隨著新材料的產(chǎn)生逐漸用碳纖維板代替鋼板用于橋梁的加固工程中。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法是一種以體外預(yù)應(yīng)力的形式粘貼梁底，是一種主動加固方案，碳纖維板質(zhì)量輕，強度高，耐腐蝕性強，且相比鋼板更容易施工和粘貼，用于梁底可有效減小混凝土梁體拉應(yīng)力，抑制裂縫發(fā)展，進而提高橋梁承載能力，減小結(jié)構(gòu)變形，且可在不封閉交通的情況下進行施工，適用性強。

5 結(jié)語

通過計算，舊橋拼寬后，舊橋橫向分布系數(shù)外邊梁減小最大，內(nèi)邊梁減小最小，外邊梁成為受力最不利主梁；按新規(guī)范計算邊板、中板承載能力均不滿足要求，因此不能直接利用原空心板進行拼寬，需對既有主梁進行加固。

整條線路橋梁多，空心板數(shù)量大，采用單一的加固方案不適宜，經(jīng)過研究，選取去梁增肋方案、體外預(yù)應(yīng)力方案、簡支結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)連續(xù)方案、預(yù)應(yīng)力碳纖維板粘貼方案進行單獨加固或組合加固。因此最終加固方案需對每一片梁進行評定，從而選用最優(yōu)方案。對于承載能力下降嚴重、裂縫開展較大的三類、四類橋梁需采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板粘貼方案，對于承載能力下降多，裂縫開展不明顯的橋梁采用去梁增肋方案，對于裂縫開展不嚴重，跨中撓度大的梁采用體外預(yù)應(yīng)力方案，對于預(yù)應(yīng)力損失大、無裂縫開展的梁采用簡支結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)連續(xù)結(jié)構(gòu)的方案。