預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁加固設(shè)計及效果分析

作者簡介：龐 毅（1984—），工程師，研究方向：土木工程。

摘要：文章以某連續(xù)梁橋加固工程為研究實例，通過對橋梁病害進行詳細分析，提出了一種可行的橋梁加固方案，利用有限元軟件對橋梁加固施工關(guān)鍵步驟進行數(shù)值模擬，并針對加固前后的橋梁主梁各截面應(yīng)力、撓度變化規(guī)律進行對比分析。結(jié)果表明：對橋梁進行加固維修后，靠近1#、2#墩根部的主梁上緣截面壓應(yīng)力增長幅度比較顯著，主梁邊跨、次邊跨及跨中的撓度顯著減小，說明該方案可以有效改善主梁上、下緣的受力情況，有助于提升主梁的壓應(yīng)力儲備，同時還可顯著改善主梁各跨跨中下?lián)锨闆r，提升主梁的整體剛度。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋；加固設(shè)計；應(yīng)力；撓度

中圖分類號：U448.21⁺5

0 引言

近年來，隨著我國橋梁建設(shè)事業(yè)的不斷進步，無論在數(shù)量、跨徑及造型設(shè)計等方面均取得了顯著提升，大幅推動了我國橋梁事業(yè)的發(fā)展^［1-2］。然而，部分橋梁由于施工階段對質(zhì)量控制不足以及后期構(gòu)件老化、荷載加重等問題的存在，導(dǎo)致橋梁運營階段出現(xiàn)許多質(zhì)量問題。若不能及時檢測并采取加固修復(fù)措施，極易造成橋梁安全事故^［3-4］。因此，深入研究各類型橋梁的維護加固技術(shù)并確定相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對于橋梁的安全運營具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁加固維修技術(shù)展開了大量研究。劉能文等^［5］在減少投資的前提下，提出了加固施工期及運行期對現(xiàn)狀橋下、橋上交通影響最小的加固方案，討論了復(fù)雜交通狀況下橋梁加固方案的類型、特點、創(chuàng)新性和效果。胡祥森等^［6］對適合本項目的常用加固方案進行了論述及比較，并根據(jù)比較情況擬定了加固設(shè)計時的推薦方案、方案選擇的原則和適用條件，最后對推薦方案的設(shè)計和計算進行了詳細介紹。陳興權(quán)等^［7］針對張拉底板預(yù)應(yīng)力階段出現(xiàn)的底板混凝土大面積崩裂等現(xiàn)象，提出采用鑿除部分底板混凝土并重新澆筑、增加頂板厚度以及體外預(yù)應(yīng)力加固等方法，以提高橋梁結(jié)構(gòu)承載力。崔曉磊^［8］通過外觀檢測、載力檢測、地質(zhì)雷達檢測和橋面系檢測等方法，結(jié)合具體情況提出了相應(yīng)的加固措施，發(fā)現(xiàn)加固效果理想，有利于強化高速公路橋梁的承載能力，減少病害。綜合上述研究成果發(fā)現(xiàn)橋梁加固技術(shù)在橋梁建設(shè)的應(yīng)用不僅降低了橋梁維護成本，極大提高了橋梁運營的安全性，而且有助于推動橋梁建設(shè)事業(yè)的長期發(fā)展?；诖?，本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁的病害治理為研究對象，提出了一種可行的加固維修方案，并通過對比分析加固前后橋梁的應(yīng)力、下?lián)习l(fā)展情況，最終確定了該方案優(yōu)良的加固效果。

1 工程概況

1.1 橋梁設(shè)計

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋全長460 m，其跨徑布置為65 m+3×110 m+65 m，橋面總寬24.5 m，左、右幅橋面寬度均為12 m，橋面布置為：0.5 m防撞護欄+11 m行車道+0.5 m防撞墻，橋面縱向坡度為1.5%，單向橫坡為2%。橋梁的上部結(jié)構(gòu)主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，墩頂處梁高為6.8 m，跨中處梁高為2.5 m，梁高按1.8次拋物線變化，箱梁頂板寬12 m，底板寬5.6 m，翼緣板寬2.8 m，頂板厚度為30～50 cm，腹板厚度為40～80 cm，底板墩頂處厚1.2 m，跨中處厚30 cm。下部結(jié)構(gòu)主墩采用雙薄壁墩，薄壁橫向?qū)?.6 m，縱向?qū)挾葹?.2 m，雙肢間距為3.6 m，墩高分別為28 m、38 m、32 m和17 m。橋臺為肋板式橋臺。樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，直徑為0.5 m，布置間距為1.5 m。橋梁總體布置如圖1所示。

1.2 主梁病害

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該連續(xù)剛構(gòu)橋主梁頂板、腹板和底板均存在大量裂縫，且主梁跨中出現(xiàn)不同程度下?lián)?，具體表現(xiàn)如下：

（1）頂板裂縫：箱梁頂板兩側(cè)存在8條縱向裂縫，在靜止?fàn)顟B(tài)下裂縫最小寬度為0.12 mm，最大寬度為0.2 mm，裂縫總長度約為900 cm，在車輛通行時最大裂縫會增至0.3 mm。初步估計裂縫產(chǎn)生原因是主拉應(yīng)力過大而導(dǎo)致混凝土開裂。

（2）腹板裂縫：箱梁腹板外側(cè)沿20°～45°方向存在大量斜向裂縫，左側(cè)腹板約28條，右側(cè)腹板約32條，位置主要分布在主梁跨中合龍和邊跨支點附近。腹板外側(cè)裂縫總長度約7 255 cm。腹板內(nèi)側(cè)裂縫分布位置較為均勻，左側(cè)腹板約67條，右側(cè)腹板約62條，腹板內(nèi)側(cè)裂縫總長度約27 541 cm。

（3）底板裂縫：箱梁底板多處出現(xiàn)縱向裂縫，其中第二跨合龍段附近存在8條裂縫，第三跨底板存在5條裂縫，第四跨底板存在9條裂縫，最大裂縫寬度達到4 mm。第二跨鑿開發(fā)現(xiàn)混凝土存在剝離脫空現(xiàn)象，剝離脫空最大達到5 cm，且波紋管有破損。

（4）跨中下?lián)希褐髁焊骺缈缰芯嬖诓煌潭认聯(lián)?，其中第四跨跨中下?lián)铣潭茸钚?，? cm，第二跨跨中下?lián)铣潭茸畲?，達到7.8 cm。

1.3 加固方案設(shè)計

（1）體外預(yù)應(yīng)力加固：主梁邊、中跨加固分別采用6束和8束規(guī)格為15～15.24 mm的預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力束采用OVM-S4環(huán)氧無粘結(jié)鋼絞線，并配合使用可調(diào)可換式體外應(yīng)力錨具。張拉控制應(yīng)力為930 MPa，為標(biāo)準(zhǔn)強度的50%，連接時各跨均設(shè)置8道轉(zhuǎn)向板，連接方式采用植筋方式。

（2）頂板加固：頂板裂縫修復(fù)采用粘貼豎向鋼板條方式。先對頂板內(nèi)側(cè)裂縫進行灌縫處理，灌縫完成后再依次粘貼豎向鋼板條。鋼板條采用Q235C鋼材，厚度為6 mm，粘貼間距為20 cm。

（3）腹板加固：腹板裂縫修復(fù)采用粘貼鋼板條方式，對于斜向裂縫嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)先進行灌縫處理。鋼板條采用Q235C鋼材，腹板外側(cè)粘貼間距為20 cm，內(nèi)側(cè)粘貼間距為15 cm。鋼板條粘貼完成后需采用富鋅底漆和環(huán)氧瀝青漆進行防腐處理，富鋅底漆涂刷2道，厚度達到70 μm，環(huán)氧瀝青漆涂刷2道，厚度達到200 μm。

（4）底板加固：對主跨裂縫采用灌縫處理。粘貼鋼板采用Q253鋼材，間距為30 cm，在底板通長布置。對于底板空洞，先采用細石混凝土澆筑，再采用6 mm厚鋼板進行封堵，底板與鋼板的連接采用錨固螺栓。同時，在各跨合龍段20 m范圍內(nèi)粘貼鋼板條加固，以增強底板抗彎能力。

2 建立模型

運用有限元軟件MIDAS Civil建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的全橋數(shù)值模型。在該模型中主梁和橋墩均采用梁單元進行模擬。其中，主梁被劃分為148個單元和150個節(jié)點，橋墩被劃分為137個單元和164個節(jié)點。全橋共劃分為292個單元和318個節(jié)點。橋梁的有限元模型如圖2所示。

根據(jù)該橋加固施工的特點，計算分析主要針對主梁粘貼鋼板加固和體外預(yù)應(yīng)力加固施工階段，通過分析主梁應(yīng)力和撓度的改善情況，來綜合評價最終的加固效果。在計算過程中，橋墩與主梁采用剛性連接，兩側(cè)橋臺均設(shè)置豎向支撐。主梁、橋墩、錨固塊和轉(zhuǎn)向板澆筑材料均采用C50混凝土，箱梁內(nèi)采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力束。普通鋼筋采用HRB335級鋼筋，體外預(yù)應(yīng)力筋采用270級低松弛高強度鋼絞線。鋼絞線的張拉控制應(yīng)力為930 MPa，為標(biāo)準(zhǔn)強度的50%。計算荷載和參數(shù)按照相關(guān)設(shè)計圖紙進行取值。結(jié)構(gòu)自重取值26 kN/m³，二期恒載取值68 kN/m³，活載采用公路Ⅰ級車道荷載，收縮徐變按規(guī)范取值計算，不均勻沉降分別考慮0.02 m的沉降量，取最不利組合。主要材料計算參數(shù)如表1所示。

3 效果分析

3.1 主梁應(yīng)力

運用軟件分別計算主梁各關(guān)鍵截面的應(yīng)力值，并針對加固前后主梁上緣和下緣的壓應(yīng)力改善情況進行對比分析，主梁上、下緣壓應(yīng)力變化曲線分別如圖3和圖4所示。

根據(jù)圖3可知，對橋梁進行加固維修后，主梁上緣各截面的壓應(yīng)力均得到不同程度的提升，其中主梁邊跨跨中壓應(yīng)力增大了0.52 MPa，1#墩根部截面壓應(yīng)力增大了3.41 MPa，主梁次邊跨跨中壓應(yīng)力增大了0.7 MPa，2#墩根部截面壓應(yīng)力增大了3.51 MPa，主梁中跨跨中壓應(yīng)力增大了0.53 MPa，其中主梁邊跨、次邊跨及跨中的壓應(yīng)力增長幅度較小，但靠近1#、2#墩根部的主梁截面壓應(yīng)力增長幅度比較顯著，由此說明該加固方案對主梁上緣應(yīng)力的改善效果明顯。

根據(jù)下頁圖4可知，對橋梁進行加固維修后，主梁下緣各截面的壓應(yīng)力均得到不同程度的提升，其中主梁邊跨跨中壓應(yīng)力增大了2.77 MPa，1#墩根部截面壓應(yīng)力增大了0.8 MPa，主梁次邊跨跨中壓應(yīng)力增大了2.76 MPa，2#墩根部截面壓應(yīng)力增大了0.9 MPa，主梁中跨跨中壓應(yīng)力增大了3.87 MPa，其中靠近1#、2#墩根部的主梁截面的壓應(yīng)力有所減小，但減小幅度不大，而主梁邊跨、次邊跨及跨中的壓應(yīng)力增長幅度比較顯著。綜合來看，采用該加固方案可以有效改善主梁上、下緣的受力情況，有助于提升主梁的壓應(yīng)力儲備，具有良好的改善效果。

3.2 主梁撓度

運用軟件分別計算主梁各關(guān)鍵截面的撓度值，并針對加固前后主梁撓度改善情況進行對比分析。計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 主梁撓度變化曲線圖

根據(jù)圖5可知，對橋梁進行加固維修后，主梁各截面的下?lián)戏染霈F(xiàn)不同程度的減小，其中主梁邊跨的最大撓度減小了9.6 mm，1#墩根部的最大撓度增大了0.05 mm，主梁次邊跨的最大撓度減小了17.1 mm，2#墩根部的最大撓度增大了0.2 mm，主梁中跨的最大撓度減小了16.9 mm，其中靠近1#、2#墩根部的主梁截面的最大撓度有所增大，但變化幅度不大，而主梁邊跨、次邊跨及跨中的減小幅度比較顯著。綜合來看，采用該加固方案可以有效降低主梁各跨跨中的下?lián)锨闆r，有助于提升主梁的整體剛度，達到了控制主梁變形的良好效果。

4 結(jié)語

（1）對橋梁進行加固維修后，靠近1#、2#墩根部的主梁上緣截面壓應(yīng)力增長幅度比較顯著，而主梁邊跨、次邊跨及跨中的下緣壓應(yīng)力增長幅度比較顯著，說明采用該加固方案可以有效改善主梁上、下緣的受力情況，有助于提升主梁的壓應(yīng)力儲備。

（2）對橋梁進行加固維修后，主梁各截面的下?lián)戏染霈F(xiàn)不同程度的減小，其中靠近1#、2#墩根部的主梁截面的最大撓度有所增大，但變化幅度不大，而主梁邊跨、次邊跨及跨中的減小幅度比較顯著，說明該加固方案可以有效降低主梁各跨跨中的下?lián)锨闆r，提升主梁的整體剛度。

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收稿日期：2023-04-20