上承式鋼管混凝土拱橋橋道系病害分析和加固

曾 洋,李 蒙

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430050)

1 橋梁概述

南里渡特大橋位于湖北省恩施州恩施市G318滬聶線上,為滬蓉國(guó)道主干線湖北省西段改建工程中的一座獨(dú)立特大橋。主橋系鋼管混凝土桁架無(wú)鉸拱,凈跨徑220 m,凈矢高44 m。主拱圈鋼管混凝土拱肋截面由拱頂至拱腳逐步增大,兩條拱肋中心距為7.4 m,每條拱肋由四根Φ920 mm×14 mm的上、下弦鋼管混凝土桿和Φ355.6 mm×7 mm的鋼管平聯(lián)桿組成,兩拱肋通過(guò)橫撐連成整體以加強(qiáng)其共同受力,主跨拱肋的拱座采用鋼筋混凝土拱座,支承于巖體上。拱上立柱采用Φ355.6 mm×8 mm鋼管混凝土結(jié)構(gòu),每個(gè)立柱包含8根鋼管混凝土柱,柱間采用鋼管連接,柱頂通過(guò)預(yù)埋鋼板與預(yù)制鋼筋混凝土蓋梁連接。拱上建筑采用20 m跨度普通鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁,橋面連續(xù),伸縮縫設(shè)在交界墩處。橋面鋪裝下層為8 cm混凝土現(xiàn)澆層,上層為4.5 cm瀝青混凝土橋面寬度13.2 m,橋梁于2002年建成通車(chē)。

現(xiàn)狀橋道系所有T梁腹板普遍存在U型裂縫,裂縫集中在T梁縱向(1/4～3/4)L范圍內(nèi),裂縫縱向間距在0.1～0.3 m之間,裂縫長(zhǎng)為15～150 cm,寬為0.1～0.3 mm,共計(jì)發(fā)現(xiàn)1 286條U型裂縫,裂縫總長(zhǎng)322.1m,最大寬度0.3 mm,超過(guò)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG 5120—2021)中關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)豎向裂縫的限值規(guī)定。

現(xiàn)狀橋面鋪裝粗骨料外露情況普遍,瀝青層局部破損面積大,橋面縱橫向裂縫較多,且大多已灌縫處治?？v橫向裂縫整體分布存在一定的規(guī)律性,縱向裂縫多位于T梁橫向接縫處,且裂縫長(zhǎng)度較長(zhǎng),部分貫通整跨;橫向裂縫出現(xiàn)在每個(gè)橋面連續(xù)墩頂,拱頂處裂縫病害最為嚴(yán)重,現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)拱頂處裂縫修補(bǔ)后依然開(kāi)裂。

2 橋梁病害成因分析

2.1 橋道系T梁裂縫分析

分析T梁裂縫產(chǎn)生原因,主要有以下兩點(diǎn):(1)建設(shè)期施工養(yǎng)護(hù)不當(dāng),混凝土收縮和溫度作用產(chǎn)生裂縫,后在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不斷發(fā)展。(2)橋梁位于鄂西國(guó)道干線,重載交通逐年增多,受疲勞作用的影響,橋道系T梁出現(xiàn)U型裂縫,該橋T梁U型裂縫較多,U型裂縫主要分布在T梁縱向(1/4～3/4)L位置,部分裂縫寬度超過(guò)規(guī)范限值,U型裂縫的產(chǎn)生與重載交通的增多密切相關(guān)。

為了探究現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)安全性,結(jié)合主梁材料專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)報(bào)告和承載能力評(píng)定規(guī)程,引入承載能力修正系數(shù),對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)的T梁承載能力進(jìn)行修正,驗(yàn) 算現(xiàn)狀橋道系20 m T梁受力性能。計(jì)算結(jié)果表明,引入承載能力修正系數(shù)后,邊、中梁正截面抗彎承載力已不能滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求。同時(shí)按現(xiàn) 行規(guī)范車(chē)道荷載對(duì)T梁進(jìn)行加載,在基本組合下結(jié)構(gòu)承載能力富余不足。隨著橋位處汽車(chē)荷載的加大、環(huán)境因素的影響,橋道系T梁承載能力下降。

2.2 橋面鋪裝裂縫分析

對(duì)于常規(guī)的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁橋而言,T梁設(shè)置于樁柱式橋墩之上,受下部結(jié)構(gòu)影響小,南里渡特大橋上部結(jié)構(gòu)支撐于拱圈之上,鋼管混凝土拱圈在外部荷載、收縮徐變、溫度變化的影響下均會(huì)產(chǎn)生變形,對(duì)上部結(jié)構(gòu)造成影響。為了研究各種因素影響的大小,利用midas Civil軟件建立全橋有限元模型。模型拱腳處設(shè)置固定約束,拱上立柱與主拱圈共節(jié)點(diǎn),立柱與T梁采用彈性連接,橋面鋪裝采用板單元,并在墩頂處釋放梁端約束。模型共計(jì)3 357個(gè)節(jié)點(diǎn)、6 189個(gè)單元。

通過(guò)模型分析整體橋梁在汽車(chē)荷載、材料徐變、溫度作用下的變形,因橋面鋪裝裂縫主要集中在墩頂處,故計(jì)算時(shí)主要關(guān)注墩頂處的橋面變形。查閱資料得知恩施當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫為-14.8 ℃,極端最高氣溫為 41.2 ℃,相應(yīng)地在模型中模擬整體升溫20 ℃和整體降溫30 ℃時(shí)工況。結(jié)果見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 汽車(chē)荷載作用下各橋墩處橋面位移

圖2 徐變作用下各橋墩處橋面位移

圖3 整體升溫20 ℃各橋墩處橋面位移

圖4 整體降溫30 ℃各橋墩處橋面位移

查閱歷次檢測(cè)報(bào)告中橋面線形測(cè)量值,恰在大氣溫度6 ℃和26 ℃時(shí)有橋梁標(biāo)高實(shí)測(cè)值記錄,兩種大氣溫度下實(shí)測(cè)主橋(1/4～3/4)L跨橋面高程差為40～82 mm。模型模擬可知在主橋升溫20 ℃工況下,主橋(1/4～3/4)L跨整體抬升43.5～72.5 mm?？紤]到測(cè)量誤差、溫度誤差及車(chē)輛荷載的影響,認(rèn)為實(shí)測(cè)橋面線形變化與理論計(jì)算分析基本一致,證明模型計(jì)算結(jié)果的可靠性。由計(jì)算結(jié)果可知,車(chē)輛荷載和徐變對(duì)橋面線形的影響較小,但較大的溫度變化會(huì)使橋梁產(chǎn)生往復(fù)的上下變形。

南里渡大橋橋道系T梁20 m一跨,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支橋面連續(xù),橋面現(xiàn)澆層采用Φ8鋼筋網(wǎng),且在橋面連續(xù)處鋼筋未進(jìn)行加密處理。每跨6片T梁橫向在橫隔板頂?shù)撞客ㄟ^(guò)一塊鋼板連接。綜合分析,因?yàn)樵摌驒M向聯(lián)系弱,且橋面連續(xù)處未做加強(qiáng),在汽車(chē)荷載、環(huán)境溫度的影響下,橋道系橋面鋪裝縱橫向接縫處應(yīng)力較大,長(zhǎng)期往復(fù)變形作用下橋面鋪裝產(chǎn)生大量裂縫,即使對(duì)裂縫及時(shí)灌縫處理,由于接縫強(qiáng)度不足,隨著時(shí)間推移裂縫還將再次出現(xiàn)。

3 加固設(shè)計(jì)

3.1 T梁體外預(yù)應(yīng)力加固

(1)適當(dāng)提高梁體抗彎承載能力,并具有一定的安全儲(chǔ)備。

(2)提供一定的壓應(yīng)力,抵消部分活載產(chǎn)生的拉應(yīng)力,改善T梁應(yīng)力狀況,封閉裂縫,提高耐久性。

相比粘貼鋼板等被動(dòng)加固方式,體外預(yù)應(yīng)力更適合鋼筋混凝土T梁主動(dòng)加固。目前體外預(yù)應(yīng)力在T梁加固中普遍采用折線形布束,這種布束既能解決T梁跨中抗彎承載力的不足也能改善端部抗剪承載力。南里渡大橋上部結(jié)構(gòu)T梁主要問(wèn)題為跨中承載力不足,端部抗剪承載力足夠,如采用折線形布束,則會(huì)造成材料浪費(fèi),同時(shí)增加施工難度。從實(shí)際出發(fā),在T梁折線形布束方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn),將鋼束調(diào)整為在(1/4～3/4)L區(qū)域T梁底面直線布置,直線形布束取消鋼束轉(zhuǎn)向塊,加固系統(tǒng)主要由錨固塊、鋼束、減震器組成,結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)約,利于批量工業(yè)化生產(chǎn)。

常用的錨固塊設(shè)計(jì)有鋼錨固塊和混凝土錨固塊。鋼錨固塊重量更輕,強(qiáng)度更大,對(duì)原橋恒載影響小。鋼結(jié)構(gòu)便于工廠化預(yù)制,施工效率更高,工廠預(yù)制鋼板鍍鋅防腐和焊縫處理均優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)安裝,對(duì)于批量加固工程,鋼錨固塊優(yōu)勢(shì)明顯。在構(gòu)造滿足要求的前提下,為了方便運(yùn)輸和安裝,需將鋼錨固塊盡量做小。鋼錨固塊由錨固部分和連接部分組成,錨固部分承受鋼束的局部壓力,構(gòu)造尺寸主要由錨具大小決定,連接部分通過(guò)對(duì)穿錨栓和粘鋼膠將錨固塊鋼板與T梁腹板連接,錨栓的布置和數(shù)量決定了連接部分的構(gòu)造大小。

對(duì)穿螺栓和粘鋼膠將鋼束的拉力傳遞到梁體,考慮到實(shí)際施工過(guò)程中粘鋼膠材料性能和壓注工藝的不確定性,計(jì)算時(shí)偏安全地不考慮粘鋼膠提供的抗剪力,提出錨栓布置的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為

fpdApe≤0.5fmAsmn

(1)

式中:fpd為體外索的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,MPa;Ape為體外索的截面面積,mm2;fm為單個(gè)錨栓的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,MPa;As為單個(gè)錨栓的截面面積,mm2;m為錨栓的橫向排數(shù),排;n為錨栓的豎向列數(shù),列?？紤]到群錨受力時(shí)各錨栓受力的不均勻性,公式中考慮0.5的抗力降低系數(shù)。

根據(jù)T梁承載能力欠缺量,南里渡大橋T梁腹板底部設(shè)置5Φs15.2體外預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),采用15-5錨具、鋼結(jié)構(gòu)錨固塊,鋼束標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa,錨下張拉控制應(yīng)力為930 MPa,整跨同步分級(jí)單端張拉。錨固塊采用對(duì)穿8.8級(jí)普通M20錨栓與T梁腹板連接,錨栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為290 MPa,錨栓間距20 cm。根據(jù)公式(1)計(jì)算,需對(duì)穿錨栓12個(gè)。采用m=6、n=2的布置方案。

錨固塊鋼板和鋼管均采用Q355B鋼材,采用體有限元分析軟件midas FEA 對(duì)鋼錨固塊進(jìn)行安全性分析,將鋼束作用力等效為壓力施加在承壓鋼板上并建立螺栓孔,在孔壁施加固結(jié)約束,網(wǎng)格劃分采用四面體實(shí)體單元。

計(jì)算結(jié)果表明,錨固塊的最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近端部錨栓孔處,為92.6 MPa,最大位移出現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力鋼束承壓板處,為0.179 mm,最大反力出現(xiàn)在應(yīng)力最大錨栓孔處,為15 kN,計(jì)算結(jié)果均能滿足錨固塊鋼材和對(duì)穿螺栓的受力要求。從模型分析結(jié)果可見(jiàn),錨栓的受力存在不均勻性,靠近T梁端部的螺栓受力大于靠近跨中的螺栓,靠近梁底的螺栓受力大于考慮頂板的螺栓。

采用有限元分析軟件midas FEA 對(duì)T梁錨固區(qū)進(jìn)行計(jì)算分析,選取單片梁一半梁體建立有限元實(shí)體模型,邊界條件為跨中截面固結(jié),T梁腹板剪切荷載根據(jù)應(yīng)力面積等效加載值為0.55 MPa,加載范圍為錨固塊連接鋼板的面積:1 150 mm×515 mm。

計(jì)算結(jié)果表明,在體外預(yù)應(yīng)力的作用下,T梁跨中底板有7.5 MPa的壓應(yīng)力儲(chǔ)備,T梁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在T梁頂板,為0.46 MPa,應(yīng)力值均滿足混凝土的強(qiáng)度要求,所以在體外預(yù)應(yīng)力作用下,錨固區(qū)和T梁頂板受力安全,同時(shí)T梁底板獲得壓應(yīng)力儲(chǔ)備,T梁承載能力提升。

3.2 橋道系整體性加強(qiáng)

(1)根據(jù)前述原因分析,橋面鋪裝墩頂橫向裂縫的主要原因是拱圈上下往復(fù)變形導(dǎo)致的疲勞破壞,次要原因是原設(shè)計(jì)橋面現(xiàn)澆層采用Φ6鋼筋網(wǎng),現(xiàn)澆層整體性較差,在橋面連續(xù)處連接較弱。加固時(shí)考慮將橋面鋪裝剛度增強(qiáng),以適應(yīng)這種往復(fù)變形。提出兩種加固方案:①方案一,UHPC(超高性能混凝土)加固。將原橋面鋪裝鑿除重做,現(xiàn)澆層采用常溫養(yǎng)護(hù)UHPC,配雙層Φ12鋼筋網(wǎng);②方案二,常規(guī)加固。將原橋面鋪裝鑿除重做,現(xiàn)澆層采用雙層Φ12鋼筋網(wǎng)。具體方案對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 橋面鋪裝加固方案對(duì)比表

UHPC作為一種新型的建筑材料,具有超高的強(qiáng)度、耐久性、材料韌性和良好的流動(dòng)性,UHPC橋面現(xiàn)澆層能很好地解決橋面連續(xù)處強(qiáng)度不足問(wèn)題,同時(shí)增加橋面鋪裝層強(qiáng)度和剛度,配合T梁橫向加固措施,能有效改善橋道系現(xiàn)狀。

新的橋面現(xiàn)澆層通過(guò)植筋與原梁體連接,植筋施工應(yīng)嚴(yán)格按要求進(jìn)行,保證植筋深度和植筋的抗拔力,以保證新老混凝土的層間聯(lián)結(jié),使現(xiàn)澆層和T梁共同受力。UHPC澆筑前應(yīng)做材料試驗(yàn),保證其強(qiáng)度,現(xiàn)場(chǎng)澆筑時(shí)嚴(yán)格控制養(yǎng)護(hù)措施,保證施工質(zhì)量。

(2)由于T梁間連接鋼板較弱,本次采用包夾鋼板增強(qiáng)T梁橫向聯(lián)系,施工步驟如下:①橫隔板裂縫封閉、錯(cuò)臺(tái)聚合物水泥砂漿修補(bǔ)、原鋼板除銹補(bǔ)焊;②包夾鋼板螺栓定位鉆孔;③安裝兩側(cè)加固鋼板,通過(guò)錨栓固定;④安裝底鋼板并與兩側(cè)鋼板焊接;⑤壓注粘鋼膠。

4 結(jié) 論

(1)體外預(yù)應(yīng)力加固是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力不足時(shí)有效的主動(dòng)加固方式,不同于目前常用的體外預(yù)應(yīng)力布束方式,提出一種鋼筋混凝土T梁的簡(jiǎn)約加固措施,并給出錨固塊與T梁連接的螺栓布置公式,將體外預(yù)應(yīng)力裝置輕量化。

(2)上承式鋼管混凝土拱橋溫變特性明顯,橋位處溫度變化較大時(shí),拱圈上下變形明顯,為了適應(yīng)這種變形,橋道系在設(shè)計(jì)時(shí)更宜采用變形協(xié)調(diào)性良好的連續(xù)結(jié)構(gòu),當(dāng)采用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)橋道系橫向整體性和墩頂橋面鋪裝韌性設(shè)計(jì)。