拼寬橋既有橋梁承載能力驗算及加固設(shè)計

姚 云

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京市 210000)

1 工程概況

某舊橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力小箱梁，先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)，跨徑3×25m，斜交角度45°；下部結(jié)構(gòu)為肋板式臺和柱式墩，基礎(chǔ)采用鉆孔式灌注樁。拼寬采用雙側(cè)拼寬，“上連下不連”方案。舊橋單幅橋面寬13.5m，斷面布置4片梁，現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)采用小箱梁拼寬6.78m，拼寬后單幅橋面寬20.28m。舊橋上部結(jié)構(gòu)拼寬方案為：將舊橋小箱梁部分翼緣切除后，通過濕接縫與新建小箱梁翼緣剛性連接；橫隔板處通過向原橋植筋，同時在新老橋之間現(xiàn)澆橫隔板剛性連接。下部結(jié)構(gòu)拼寬采用樁柱式橋墩和肋板臺，與原下部結(jié)構(gòu)分離。拼寬后結(jié)構(gòu)橋墩處斷面見圖1。

圖1 拼寬后結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《高速公路改擴(kuò)建設(shè)計細(xì)則》[1]相關(guān)條例，拼寬橋涵的新建部分與既有橋涵結(jié)構(gòu)連接時，應(yīng)進(jìn)行整體驗算和評價。既有橋涵極限承載能力應(yīng)滿足或采取加固措施后滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求；正常使用極限狀態(tài)應(yīng)滿足原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此拼接利用的舊橋：承載能力極限狀態(tài)滿足公路-Ⅰ級，正常使用極限狀態(tài)滿足汽車-超20級、掛車-120。

3 舊橋上下部結(jié)構(gòu)承載能力驗算

3.1 結(jié)構(gòu)分析計算

(1)計算模型按單梁進(jìn)行計算。

(2)跨中橫向分布系數(shù)采用剛接板梁法，并考慮連續(xù)梁對抗彎剛度的修正；支點位置橫向分布系數(shù)按杠桿法計算[2]。

(3)充分考慮簡支變連續(xù)的施工方法對結(jié)構(gòu)受力的影響，施工階段按實際情況劃分。

(4)二期恒載中，護(hù)欄按影響線加載，現(xiàn)澆層及鋪裝荷載按面積分配。

(5)活載按公路-I級荷載施加，沖擊系數(shù)按規(guī)范考慮。

3.2 舊橋小箱梁拼寬前后橫向分布系數(shù)分析

拼寬后，新增的結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，對原結(jié)構(gòu)有卸載的作用，汽車荷載作用下舊橋受力會有不同程度的降低，可通過拼寬前后橫向分布系數(shù)[2]的變化來體現(xiàn)。拼寬前、后舊橋小箱梁的跨中橫向分布系數(shù)如表1所示。

表1 舊橋小箱梁跨中橫向分布系數(shù)

由計算結(jié)果可知，拼寬橋?qū)εf橋有較明顯的卸載作用，拼寬后舊橋小箱梁橫向分布系數(shù)有不同程度的降低，越靠近拼寬連接處，橫向分布系數(shù)下降越明顯。

3.3 考慮橋梁現(xiàn)狀對承載能力評定的影響

由于原小箱梁已運營多年，可能存在一定的病害和老化，因此對其進(jìn)行承載能力計算時需要考慮這部分因素的影響。

根據(jù)現(xiàn)行《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)，對舊橋的承載能力的評估可采用標(biāo)度法進(jìn)行。配筋混凝土橋梁在計算承載能力極限狀況的抗力效應(yīng)時，應(yīng)根據(jù)橋梁試驗檢測結(jié)果，采用引入檢算系數(shù)Z1、承載能力惡化系數(shù)ξe、截面折減系數(shù)ξc和ξs的方法進(jìn)行修正計算，具體公式如下：

γ0S≤R(fd,ξcαdc,ξsαds)Z1(1-ξe)

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；S為荷載效應(yīng)函數(shù)；R(·)為抗力效應(yīng)函數(shù)；fd為材料強(qiáng)度設(shè)計值；αdc為構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；αds為構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；Z1為承載能力檢算系數(shù)；ξc為配筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)；ξs為鋼筋的截面折減系數(shù)；ξe為承載能力惡化系數(shù)。

式中各值的具體計算方法詳見《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)。

根據(jù)橋檢報告，結(jié)合表觀檢查結(jié)果和無損檢測結(jié)果對小箱梁進(jìn)行計算評定，得到小箱梁的結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)的修正系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 既有橋梁小箱梁承載力修正系數(shù)

由計算結(jié)果可見，原小箱梁承載能力綜合修正系數(shù)為1.01，計算時偏安全考慮均取為1.0。

3.4 舊橋小箱梁計算結(jié)果

舊橋小箱梁和新建小箱梁截面與普通鋼筋配筋大體一致，舊橋小箱梁抗剪承載力可以得到保證，而舊橋小箱梁的預(yù)應(yīng)力配置相對較弱，舊橋小箱梁的鋼束總配置為：中跨22束、邊跨28束、負(fù)彎矩區(qū)23束，每束都是直徑為15.2mm的鋼絞線。舊橋小箱梁承載能力驗算結(jié)果匯總?cè)绫?所示，計算時根據(jù)原橋情況考慮了5cm的調(diào)平層參與設(shè)計。

表3 舊橋小箱梁承載能力驗算結(jié)果匯總

由計算結(jié)果可知,舊橋小箱梁跨中抗彎承載力不足，而支點抗彎承載力和抗剪承載力均滿足規(guī)范要求。因此需要針對舊橋小箱梁的跨中部分抗彎承載力進(jìn)行加固。

3.5 舊橋下部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

舊橋的下部結(jié)構(gòu)包括橋墩蓋梁、橋臺蓋梁、墩柱和樁基。其中1#、2#橋墩采用雙柱構(gòu)造，柱間距10m，受力較為不利，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算。經(jīng)計算，下部結(jié)構(gòu)的承載力及樁基的承載力均滿足規(guī)范要求，計算結(jié)果如表4、表5、表6所示。

表4 舊橋橋墩蓋梁計算結(jié)果

表5 舊橋橋墩墩柱計算結(jié)果

表6 舊橋樁基計算結(jié)果

4 加固改造設(shè)計方案

加固改造設(shè)計主要針對舊橋小箱梁跨中截面抗彎承載能力不足進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。常規(guī)的加固方法包括加鋪橋面現(xiàn)澆層、梁底粘貼鋼板、梁底粘貼碳纖維布和設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力等。綜合考慮原橋?qū)嶋H情況、加固方案對承載力的提高效果、對原橋的損壞和擾動，以及耐久性，最終采用底板粘貼鋼板[3]的加固方案。

根據(jù)計算結(jié)果，舊橋小箱梁不同的邊、中梁位置，以及邊跨、中跨不同位置的跨中抗彎承載能力欠缺程度不同，因此采用不同的加固措施：對于承載能力已經(jīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的，不再進(jìn)行加固；對于承載能力欠缺較小(≤10%)，采用底板橫向粘貼2塊鋼板進(jìn)行加固；對于承載能力欠缺較多(>10%)，采用底板橫向粘貼3塊鋼板進(jìn)行加固。加固的鋼板型號全部統(tǒng)一，采用Q345C鋼板，鋼板厚度取5mm，每塊寬度25cm，粘貼加固范圍為跨中16m長度范圍，Q345C鋼板的化學(xué)成分、機(jī)械性能等應(yīng)符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591—2018)的規(guī)定，鋼材必須具有國家技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督部門確認(rèn)的產(chǎn)品質(zhì)量證明、出廠合格證明。加固設(shè)計后舊橋小箱梁的計算結(jié)果如表7所示，均滿足承載力要求。

表7 加固后舊橋小箱梁計算結(jié)果

5 橋梁拼寬對橋梁拓寬的積極影響

(1)利用老橋進(jìn)行拼寬可節(jié)約拆除費用，只增加了加固的費用，加固費用相對于拆除重建橋梁的建設(shè)成本明顯降低。

(2)拆除老橋會對環(huán)境有較大的影響，拆除過程中會產(chǎn)生較多灰塵影響空氣質(zhì)量，也會產(chǎn)生較大的噪音，造成噪音污染。而利用老橋拼寬則可以避免對環(huán)境的影響。

(3)需要拓寬的橋梁交通量通常都較大，橋梁拼寬基本不會影響到交通，而對橋梁拆除重建將會中斷交通或嚴(yán)重影響交通。

6 結(jié)語

為了節(jié)約建設(shè)成本、保護(hù)環(huán)境、不影響交通，橋梁拼寬成為拓寬公路橋梁中的首選方案，而對舊橋進(jìn)行承載能力驗算及加固設(shè)計成為其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，只有做好這個關(guān)鍵環(huán)節(jié)才能保證既有結(jié)構(gòu)安全可靠。