組合梁橋面板鋼支撐加固方法研究

吳憲鍇

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

我國現(xiàn)有公路橋梁多為依據(jù)上世紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造，設(shè)計(jì)荷載等級較低。近年來，隨著重載交通的逐步增多，公路橋梁的負(fù)荷日趨加重，原有設(shè)計(jì)荷載已不能滿足現(xiàn)有交通量的要求。橋面板作為橋梁結(jié)構(gòu)體系中直接承受車輛輪壓的結(jié)構(gòu)，其工作狀態(tài)也會直接影響橋梁的使用性能。尤其是對于一些早期工字梁或T梁橋梁頂采用預(yù)制混凝土橋面板的結(jié)構(gòu)，由于建造年代較早，橋面板與翼緣結(jié)合處厚度較薄，混凝土質(zhì)量較差、不密實(shí)，在車輛荷載和環(huán)境的共同影響下，此類橋面板很多出現(xiàn)了破損嚴(yán)重的現(xiàn)象，影響橋梁的結(jié)構(gòu)性能，造成較大的安全隱患，有必要針對病害較為嚴(yán)重且可能影響結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全的預(yù)制橋面板進(jìn)行維修加固處理。

橋面板結(jié)構(gòu)由于受力情況較梁和墩等部件更加復(fù)雜，破壞形式多樣化，針對橋面板結(jié)構(gòu)加固方法的探索難度較大。目前多采用鑿除破損部位重新澆注混凝土、粘貼鋼板(或纖維布)、臨時(shí)覆蓋鋼板等措施，而現(xiàn)有這些方法或加固效果不理想，或需中斷交通，造成維修成本增大[1-8]。對于一些交通量大的主要干線公路，需要在不影響橋上交通的情況下快速完成橋面板的維修加固施工。

1 工程概況

某橋位于京哈高速公路上，建成于1999年；該橋分為上下行，全橋跨徑布置為30.0m+13×30.0m+2×(14×30.0m)+2×24.9m+8×30.0m，跨徑總長為1549.8m，橋梁總長為1556.0m，該橋?yàn)樾睆潣?。橋面凈寬?6.50m，外側(cè)設(shè)置0.50m寬混凝土護(hù)欄，內(nèi)側(cè)設(shè)置0.85m寬的鋼護(hù)欄，橋面鋪裝采用60mm厚瀝青混凝土，全橋設(shè)置7道伸縮縫，分別設(shè)置在0號、52號臺、1號、14號、28號、42號、44號墩頂。支座均為橡膠支座。上部結(jié)構(gòu)：第1孔為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支工字梁，第2～42孔、第45～52孔為先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)工字梁，每孔8片梁，7道橫隔梁；第43～44孔為單箱四室鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)：鋼筋混凝土三柱式墩，鋼筋混凝土肋板臺，除52號橋臺基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)外，其余墩臺基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載等級為汽車-超20級，掛車-120。驗(yàn)算荷載等級為特載-480。該橋第8～20孔跨河，8～14號墩位于水中，第50孔跨河。工字組合梁中梁大樣圖如圖1所示。

圖1 工字組合梁中梁大樣圖(單位：cm)

2 橋面病害及成因分析

2.1 橋面板病害

以2020年下行橋梁橋面板檢測結(jié)果為例，共計(jì)82道預(yù)制橋面板出現(xiàn)橫向裂縫，長度為0.5～2.0m，寬度為0.1～0.3mm，部分泌死；113道預(yù)制橋面板出現(xiàn)縱向裂縫，長度為0.3～4.5m，寬度為0.1～0.4mm，部分預(yù)制橋面板滲水泛堿；10道預(yù)制橋面板出現(xiàn)斜向裂縫，長度為0.3～1.5m，寬度為0.1～0.3mm；102道預(yù)制橋面板出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫，最大面積為5×2m2，最大寬度為0.35mm；91道預(yù)制橋面板剝落掉角，局部露筋，最大面積為1.5×2m2；12-4、15-4號預(yù)制橋面板混凝土離析。

根據(jù)檢測結(jié)果[9]，該橋上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況等級為三類[7]，其中預(yù)制橋面板病害最為嚴(yán)重，且呈現(xiàn)出數(shù)量多、種類多、復(fù)合型病害多的特點(diǎn)，甚至部分出現(xiàn)橋面和預(yù)制橋面板病害相對應(yīng)狀況，橋面板病害進(jìn)一步惡化將對主梁不利，影響交通安全。因此，有必要針對病害較為嚴(yán)重且可能影響結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全的預(yù)制橋面板進(jìn)行維修加固處理。

2.2 病害成因分析

該工字組合梁預(yù)制橋面板出現(xiàn)的以上病害，主要成因如下：

(1)由于京哈高速交通量大、重載、超載及超速車輛較多、單軸荷載過大或前期病害處治措施不當(dāng)，使得車輪反復(fù)作用及橋面板頂層混凝土掏空引起修補(bǔ)處及周邊橋面瀝青網(wǎng)裂、凹陷、破損。這導(dǎo)致了修補(bǔ)處橋面鋪裝防水功能喪失、局部積水集中，加速鹽蝕、凍融作用對橋面板頂層混凝土的破壞，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)性能。

(2)由于橋面板與翼緣結(jié)合處厚度較薄，混凝土質(zhì)量較差、不密實(shí)，容易積水，在雨雪的浸蝕下，部分水分滲入到橋面板混凝土內(nèi)部，進(jìn)入的水分溶解混凝土內(nèi)部的殘存氫氧化鈣，并因溫度升高而蒸發(fā)到混凝土表面，從而導(dǎo)致橋面板底面泛白；另外，因冬季撒鹽除雪，部分含有氯化鈉、氯化鈣等化學(xué)成分的水分滲入到橋面板混凝土內(nèi)部，并透過混凝土空隙，在橋面板底面蒸發(fā)、結(jié)晶，也可能導(dǎo)致橋面板底面泛白。橋面板底面泛白，極易導(dǎo)致鋼筋銹蝕，顯著降低結(jié)構(gòu)耐久性；部分橋面板泛白處對應(yīng)橋面鋪裝瀝青修補(bǔ)、網(wǎng)裂、凹陷部位。

(3)現(xiàn)有橋面板長期承受車輛荷載作用，導(dǎo)致橋面板受力過大，出現(xiàn)縱向裂縫；部分橋面板混凝土質(zhì)量較差、抗壓強(qiáng)度較低，且鹽蝕、凍融等導(dǎo)致橋面板底層混凝土酥松、缺失，橋面板有效厚度下降，橋面板承載能力不足引起橋面板底面出現(xiàn)縱向裂縫；橋面板底層鋼筋銹蝕及橋面板底面保護(hù)層過厚也會引起橋面板底面縱向裂縫。

3 維修加固方案

常規(guī)的橋面板結(jié)構(gòu)加固方法采用鑿除破損部位重新澆注混凝土、粘貼鋼板(或纖維布)、臨時(shí)覆蓋鋼板等措施，而現(xiàn)有這些方法或加固效果不理想，或需中斷交通，造成維修成本增大?？紤]了保通保暢、施工難易、造價(jià)等因素的影響，提出預(yù)制橋面板橋下橫向鋼支撐加固方案，如圖2所示。該方案由鋼板、橫撐H型鋼、斜撐槽鋼三部分組成，材料均為Q345鋼材，具體擬定尺寸如表1所示。首先在各橋面板底部粘貼鋼板，并在其上安置橫向H型鋼，最后以相鄰工字型主梁梁肋為支撐點(diǎn)，預(yù)制安裝局部鋼支撐(傾斜角度為45°)，形成一種鋼支撐加固體系，有效提升橋面板安全性能。

圖2 預(yù)制橋面板橋下加固示意圖

表1 加固構(gòu)件尺寸表

4 加固方案計(jì)算分析

假設(shè)車輛荷載直接作用于加固鋼板上，并將其作為最不利情況，建立加固結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，計(jì)算荷載包括加固結(jié)構(gòu)自重和汽車-超20級車輪荷載，確定各加固構(gòu)件的受力狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

通過MIDAS FEA軟件建立加固結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，如圖3(a)所示，計(jì)算節(jié)點(diǎn)121466個，模型單元73846個，材料為Q345鋼材，邊界條件采用下部鋼墊板端部固接模擬，計(jì)算荷載主要包括加固結(jié)構(gòu)自重和汽車-超20級車輪荷載作用。車輪荷載等效為面荷載施加，大小為526kN/m2，其最不利作用位置為頂面鋼板中心區(qū)域。

通過實(shí)體模型有限元分析，得到鋼支撐加固結(jié)構(gòu)各構(gòu)件應(yīng)力云圖如圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)所示。從圖中分別提取鋼板、橫向H型鋼和斜撐槽鋼的最大應(yīng)力值，如表2所示，依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[10](JTG D64—2015)，在結(jié)構(gòu)自重和車輪荷載作用下，加固結(jié)構(gòu)各鋼構(gòu)件的應(yīng)力均小于Q345鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值285MPa，該加固結(jié)構(gòu)可滿足荷載要求。

圖3 有限元建模及加固結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表2 加固構(gòu)件尺寸表

4.2 加固后橫隔梁連接力驗(yàn)算

計(jì)算橫隔梁連接力(以中橫隔梁為例)：橫隔梁橫截面尺寸Ac=180mm×1750mm=315000mm2；橫隔梁混凝土強(qiáng)度C50，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度fcd=1.83MPa；橫隔梁受拉鋼筋組成為6根Φ25鋼筋，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度fsd=335MPa；單塊橫隔板連接力FH=Acfcd+Asfsd=1562kN。

根據(jù)上述有限元模型分析結(jié)果，提取單根斜撐槽鋼梁與主梁連接處端部的支反力，可知，在車輛和自重共同作用下，豎向支反力為Fz=25kN，水平推力Fy=13kN。

通過梁格法計(jì)算，在汽車-超20車輛荷載作用下，橫隔板承受軸向最大拉力約為Fc=270kN。由此可見，即使以相鄰橫隔板間的各塊預(yù)制橋面板同時(shí)加固作為最不利情況(橫隔板間預(yù)制橋面板數(shù)量按照5塊計(jì))，并達(dá)到最不利受力狀態(tài)時(shí)，即10×Fy+Fc=420+270=690kN，其水平推力仍遠(yuǎn)小于單個橫隔板的極限承載力(FH=1562kN)。

4.3 加固結(jié)構(gòu)自重對主梁影響

假設(shè)成孔加固(即所有預(yù)制板均采用橫向加固方法)，將加固所用材料的自重轉(zhuǎn)化為荷載作用在原主梁結(jié)構(gòu)上，計(jì)算得到主梁跨中彎矩變化值見表3，加固后的彎矩包絡(luò)圖如圖4，可知加固后主梁內(nèi)力的變化仍可滿足結(jié)構(gòu)承載力要求。

表3 加固前后主梁彎矩變化

圖4 加固后主梁彎矩圖(單位：kN·m)

5 結(jié)語

針對工字組合梁預(yù)制橋面板病害類型，進(jìn)行了病害成因分析?？紤]到混凝土預(yù)制橋面板受力特點(diǎn)，提出了橋下鋼支撐形式的加固結(jié)構(gòu)，以降低該類橋面板的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。通過有限元分析，從加固結(jié)構(gòu)受力性能、加固后對主體結(jié)構(gòu)性能的影響方面，驗(yàn)證了所提出的不中斷交通加固方案的合理性。通過應(yīng)用這種橋下鋼支撐形式的加固結(jié)構(gòu)，可提高橋梁承載能力，解決預(yù)制橋面板病害多、耐久性差的問題，且能充分利用橋下原主梁之間的空間，在不影響橋上交通的條件下，快速完成施工任務(wù)，結(jié)構(gòu)輕巧，增加的自重少，不會導(dǎo)致其他構(gòu)件的連鎖加固。該方法可為此類橋梁的加固設(shè)計(jì)提供一定的參考。