某變截面連續(xù)剛構(gòu)橋搶修加固設(shè)計(jì)研究

吳遠(yuǎn)華

（浙江華東測(cè)繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

橋梁主要承重結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)，其根本目的是恢復(fù)和提高其承載能力，改善其使用性能，防止橋梁結(jié)構(gòu)的安全隱患，提高其通行能力。橋梁維修加固前，應(yīng)按相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程對(duì)其技術(shù)狀況、適應(yīng)性進(jìn)行檢查和評(píng)定，對(duì)加固改造的必要性、可行性進(jìn)行充分論證。依據(jù)橋梁技術(shù)狀況等級(jí)、病害成因、加固目標(biāo)、施工條件等，綜合考慮社會(huì)影響及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)，確定合理的、可實(shí)施的加固方案。本文對(duì)某變截面連續(xù)剛構(gòu)橋搶修加固設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 工程概況

某大橋主橋?yàn)椋?5+120+65）m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，小樁號(hào)側(cè)引橋上部結(jié)構(gòu)為5×30m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，大樁號(hào)側(cè)為4×30m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋梁全長(zhǎng)575.98m，單幅全寬12m。該橋于2012年12月建成通車，設(shè)計(jì)荷載：公路—I級(jí)的1.3倍。

主橋箱梁為單箱單室斷面，箱梁頂板寬12m，底板寬6m。墩頂0 號(hào)梁段及懸臂根部梁高為9m，中、邊跨合攏段及邊跨現(xiàn)澆段梁高為3.3m。箱梁0 號(hào)塊頂板厚度為50cm，其余梁段頂板厚度為30cm。箱梁合攏段底板厚度32cm，懸臂根部底板厚度95cm，0號(hào)梁段橫隔板間底板厚度為125cm，箱梁墩頂0號(hào)梁段范圍腹板厚度為80cm，1~8 號(hào)梁段腹板厚度為80cm，9、10 號(hào)梁段為腹板變厚段，11~14號(hào)梁段腹板厚度為50cm。

下部結(jié)構(gòu)主引橋橋墩采用柱式墩，雙柱薄壁墩、薄壁空心墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)為樁柱式臺(tái)、肋板式臺(tái)，樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝采用瀝青混凝土橋面鋪裝，0#臺(tái)、5#墩、8#墩、12#臺(tái)處伸縮縫采用D-160 型、D-320 型、D-240型、D-120型，主橋在5#、8#墩支座采用QX4500DX150、QX4500SX150，引橋在第1 聯(lián)聯(lián)端采用GYZF4350X76、GYZF4300X65支座，聯(lián)中采用GYZ450X84支座，2#、3#、10#采用墩梁固結(jié)形式。

2 存在的主要病害及原因分析

2.1 存在的主要病害

（1）左幅第7 跨（主橋中跨）跨中第13#、14#節(jié)段（小樁號(hào)側(cè)）局部存在大面積空洞、破損、露筋等病害。該區(qū)域采用環(huán)氧材料修補(bǔ)，并粘貼鋼板加固處理，但修補(bǔ)材料表觀不密實(shí)、與原混凝土交界面處填充不飽滿，粘貼鋼板基底未處理平整，局部模板未拆除，局部敲擊空響，膠體厚度不均勻，封邊膠破損開口，防腐涂層局部起皮、脫落，鋼板或螺栓局部銹蝕。其中L-7-14 節(jié)段、L-7-15節(jié)段、L-7-14節(jié)段、L-8-15節(jié)段等4個(gè)節(jié)段底面均存在敲擊空響區(qū)域，面積共計(jì)21.1m2。

（2）右幅橋第7 跨（主橋中跨）第12#、13#節(jié)段箱梁底板存在大面積的空洞、空響、劈裂、破損、露筋區(qū)域。該區(qū)域采用環(huán)氧材料修補(bǔ)，并經(jīng)粘貼鋼板加固處理，修補(bǔ)材料表觀不密實(shí)、與原混凝土交界面處填充不飽滿，粘貼鋼板基底未處理平整，局部模板未拆除，局部敲擊空響，膠體厚度不均勻，封邊膠破損開口，防腐涂層局部起皮、脫落，鋼板或螺栓局部銹蝕。其中R-7-10~R-7-14 節(jié)段、R-7-15 節(jié)段等6 個(gè)節(jié)段底面均存在敲擊空響區(qū)域，面積共60.58m2，單處空響面積均大于1m2。

（3）主橋箱內(nèi)L-7-S1、S2、S3 等3 個(gè)節(jié)段左腹板靠近下部存在斜向裂縫（局部泛堿、浸死），斜度5°~15°，裂縫長(zhǎng)度共計(jì)24.3m，縫寬介于0.05~0.20mm之間。

（4）箱內(nèi)頂板中部有3 個(gè)施工節(jié)段（節(jié)段不連續(xù)）存在縱向裂縫，箱內(nèi)腹板3 個(gè)施工節(jié)段（節(jié)段不連續(xù)）局部存在縱向裂縫，裂縫分布無(wú)明顯規(guī)律，長(zhǎng)度共計(jì)12.9m，最大縫寬0.2mm；箱外4 個(gè)施工節(jié)段（節(jié)段不連續(xù)）翼緣板根部局部存在縱向裂縫，長(zhǎng)度共計(jì)8.2m，裂縫基本浸死、泛白；箱外底板1 個(gè)施工節(jié)段局部存在縱向裂縫，長(zhǎng)度1.8m。

（5）箱內(nèi)隔板人洞附近局部存在網(wǎng)裂及橫向、豎向裂縫，長(zhǎng)度共計(jì)39.5m，最大縫寬0.2mm。

2.2 病害原因分析

連續(xù)剛構(gòu)橋底板崩裂的主要原因?yàn)槭┕げ划?dāng)，施工過程中發(fā)生如下情況綜合作用會(huì)導(dǎo)致底板混凝土在鋼束徑向力作用下分層、崩裂。

（1）頂板縱向裂縫，分析為梁段混凝土齡期差、施工溫差較大、箱內(nèi)外溫差等造成的混凝土收縮裂縫。此類裂縫主要影響結(jié)構(gòu)耐久性[1]。

（2）引橋小箱梁底板及腹板縱向裂縫，位置及走向與鋼束基本一致，分析為波紋管施工定位不準(zhǔn)，導(dǎo)致波紋管位置混凝土保護(hù)層偏薄，或混凝土齡期不足，在鋼絞線施工張拉過程中，局部應(yīng)力過大而產(chǎn)生縱向裂縫，該裂縫主要影響結(jié)構(gòu)耐久性。

3 加固設(shè)計(jì)原則、思路及內(nèi)容

3.1 加固設(shè)計(jì)原則

（1）通過加固，在徹底修復(fù)橋梁缺陷后，使橋梁的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求；

（2）加固設(shè)計(jì)方案技術(shù)成熟、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)合理，處治措施切實(shí)可行[2]；

（3）全面修復(fù)橋梁病害，嚴(yán)重病害徹底處治與輕微病害有效抑制相結(jié)合；

（4）加固設(shè)計(jì)方案選擇力求方便施工、節(jié)約工期、造價(jià)合理，除滿足施工工藝成熟的要求外，盡量選擇易于后期養(yǎng)護(hù)、工程費(fèi)用相對(duì)較低的方案。

3.2 加固設(shè)計(jì)思路

通過對(duì)該橋進(jìn)行基于現(xiàn)狀的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，雖然驗(yàn)算結(jié)果顯示在缺陷狀態(tài)下橋梁應(yīng)力及承載能力仍能滿足要求，但主橋中跨跨中附近節(jié)段的底板崩裂、空洞缺陷已經(jīng)達(dá)到比較嚴(yán)重的程度，對(duì)橋梁的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)存在不利影響，必須對(duì)該缺陷進(jìn)行有針對(duì)性的加固處治，主要思路如下：

（1）針對(duì)主橋跨中附近節(jié)段箱梁底板空洞、空響、崩裂病害，首先采取措施修復(fù)缺陷，恢復(fù)箱梁剛度及整體性，有效改善該區(qū)域的受力狀態(tài)；

（2）考慮主橋跨中區(qū)域箱梁底板缺陷范圍較大，局部斷面削弱嚴(yán)重，剛度下降，在恢復(fù)斷面尺寸的基礎(chǔ)上，在缺陷區(qū)域增設(shè)鋼筋混凝土橫肋，抵抗合攏段底板鋼束的徑向力，提高箱梁底板局部剛度[3]；

（3）對(duì)箱梁存在的縱向裂縫進(jìn)行灌漿、封閉處理，提高耐久性；

（4）處治橋梁伸縮縫、支座病害，改善橋梁使用功能；

（5）處治橋梁構(gòu)件其他病害和缺陷，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

3.3 加固設(shè)計(jì)方案

（1）針對(duì)第7 跨跨中附近底板存在缺陷的節(jié)段，增設(shè)兩道35cm厚、110cm高、橫向貫通的鋼筋混凝土橫向肋板，新增橫肋通過種植鋼筋與腹板連接，同時(shí)，在橫肋對(duì)應(yīng)位置底板（靠近兩側(cè)腹板）開槽，設(shè)置閉合鋼筋兜住底板縱向預(yù)應(yīng)力管道，利用種植鋼筋及新老混凝土結(jié)合面的抗剪能力來抵抗合攏段底板鋼束的徑向力，防止混凝土劈裂分層，提高箱梁跨中底板局部剛度[4]。

（2）跨中附近分層崩裂區(qū)域在施工過程中采用上、下對(duì)拉鋼板并灌注環(huán)氧類材料的方式進(jìn)行了加固，通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，原加固效果差，缺陷區(qū)域未灌漿密實(shí)，還存在較明顯的空響區(qū)域，對(duì)拉鋼板不能完全發(fā)揮作用?？紤]原加固方式具有一定有效性，待空洞區(qū)域灌注密實(shí)后對(duì)拉鋼板仍能起到一定有利作用，本次加固設(shè)計(jì)保留原對(duì)拉鋼板，采取以下修復(fù)措施：

①鑿除底板缺陷區(qū)域邊緣松散的混凝土及后修補(bǔ)環(huán)氧材料，對(duì)外露鋼絞線及鋼筋除銹，采用聚合物砂漿修補(bǔ)平整后，從箱內(nèi)向下灌注聚合物砂漿填充底板空洞、劈裂區(qū)域，灌注過程要求均勻、緩慢，保證密實(shí)。采用敲擊結(jié)合取芯方式檢查灌漿密實(shí)度，如仍存在局部不密實(shí)區(qū)域，在該區(qū)域鉆孔二次注漿。

②現(xiàn)場(chǎng)核查原加固鋼板空鼓、灌膠不密實(shí)區(qū)域，重新按照規(guī)范工藝灌注粘鋼膠。

4 橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析

4.1 計(jì)算模型

主橋結(jié)構(gòu)模擬采用midas civil 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

（1）一期恒載：混凝土容重取26kN/m3，主梁、主墩尺寸按實(shí)際斷面取值，橫隔板以集中力計(jì)；

（2）二期恒載：包括橋面鋪裝、護(hù)欄等，經(jīng)計(jì)算二期恒載按57.8kN/m計(jì)取；

（3）原橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束錨下控制應(yīng)力為1395MPa；

（4）汽車荷載：公路-I級(jí)×1.3；

（5）均勻溫度作用：整體升溫取+25℃，整體降溫取-35℃；

（6）不均勻沉降：邊墩1.5cm，主墩2.5cm。

4.2 基于橋梁現(xiàn)狀的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)該橋定期檢查報(bào)告及專項(xiàng)檢測(cè)報(bào)告，主橋跨中第13#、14#節(jié)段（小樁號(hào)側(cè)）底板存在大面積空洞區(qū)域，局部區(qū)域空洞深度達(dá)15cm，在此區(qū)域范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土相互無(wú)約束，預(yù)應(yīng)力鋼束曲線變緩，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力發(fā)生一定的變化，因此結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)截面尺寸及跨中預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行合理折減，以評(píng)估橋梁目前實(shí)際受力狀況。在結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中，斷面尺寸及預(yù)應(yīng)力損失按如下考慮：

（1）對(duì)主橋跨中第13#、14#節(jié)段（小樁號(hào)側(cè)）斷面底板厚度按折減15cm考慮；

（2）該橋在主跨跨中第13#、14#節(jié)段存在空洞，假定在此區(qū)域鋼束與混凝土無(wú)約束，鋼束形狀由曲線變?yōu)橹本€，鋼束長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失。鋼束曲線變化按照3 個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度考慮，經(jīng)計(jì)算，鋼束長(zhǎng)度變化值為8.6mm，跨中預(yù)應(yīng)力損失為8.6%。

橋梁結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性能計(jì)算分析結(jié)果見表1~表6。

表1 短期效應(yīng)組合（考慮折減后）主梁控制截面抗裂分析結(jié)果

表2 短期效應(yīng)組合（考慮折減后）主梁控制截面主拉應(yīng)力分析結(jié)果

表3 標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合（考慮折減后）主梁控制截面壓應(yīng)力分析結(jié)果

表4 標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合（考慮折減后）主梁控制截面主壓應(yīng)力分析結(jié)果

表5 主梁控制截面（考慮折減后）抗彎承載能力極限狀態(tài)分析結(jié)果

表6 主梁控制截面（考慮折減后）抗剪承載能力極限狀態(tài)分析結(jié)果

通過表1~表6 的計(jì)算結(jié)果分析，并結(jié)合橋梁荷載試驗(yàn)報(bào)告和目前實(shí)際病害情況，可以得出以下結(jié)論：

（1）正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合作用下，通過對(duì)模型參數(shù)的修正，原結(jié)構(gòu)第13#、14#梁段截面折減15cm，跨中預(yù)應(yīng)力損失8.6%后，結(jié)構(gòu)各截面應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，在相同位置處折減截面應(yīng)力較原設(shè)計(jì)截面在短期效應(yīng)組合作用下，上緣應(yīng)力減小0.077MPa，下緣應(yīng)力增加1.91MPa；在標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下上緣應(yīng)力減小0.353MPa，下緣應(yīng)力增加1.798MPa。

（2）承載能力極限狀態(tài)下，通過對(duì)模型參數(shù)的修正，原結(jié)構(gòu)第13#、14#梁段截面折減15cm，跨中預(yù)應(yīng)力損失8.6%后，結(jié)構(gòu)承載能力、結(jié)構(gòu)抗剪承載能力均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用上述方案對(duì)主橋箱梁底板崩裂、分層、空洞等病害進(jìn)行處治，缺陷區(qū)域的剛度有所提升，考慮橫肋自重和預(yù)應(yīng)力損失后，在正常使用極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)各截面的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，中跨跨中下?lián)?.6cm，考慮該橋設(shè)置6cm 的預(yù)拱度，對(duì)主梁線形無(wú)明顯影響，在承載能力極限狀態(tài)下，承載能力也能滿足規(guī)范要求。