淺析梁橋的加固設(shè)計(jì)

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摘要：以南京市三汊河大橋（45+60+45m連續(xù)箱梁橋）的加固處治工程為基礎(chǔ)，介紹了其主要病害及加固設(shè)計(jì)方案，并對(duì)體外預(yù)應(yīng)力索加固法與分布式表貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加固方案進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力碳纖維板沿箱梁底板全寬分條布置粘貼，使得箱梁橫向全寬范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力較為均勻，較體外預(yù)應(yīng)力索受力更為合理和高效，是特別適合低高度寬體箱梁橋加固的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：工程技術(shù)；加固設(shè)計(jì)；對(duì)比分析；分布式；碳纖維板

0引言

在我國早期建造的橋梁中，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋是數(shù)量比較多的橋型，由于多種原因[1]，這類橋梁存在較多病害，主要表現(xiàn)在：a）橋梁主體結(jié)構(gòu)開裂、露筋銹蝕、裂縫寬度大于規(guī)范限定值；b）橋梁墩臺(tái)沉陷、滑動(dòng)、變形太大；c）橋面鋪裝層剝離、開裂、橋面防水層失效、伸縮縫損壞；d）其他附屬工程病害。對(duì)于橋梁工程的附屬工程病害及一般病害通常僅需有針對(duì)性地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修即可，但主體結(jié)構(gòu)病害如已危及到結(jié)構(gòu)的正常使用，則必須對(duì)其進(jìn)行加固處理。箱梁橋的主體結(jié)構(gòu)開裂及承載能力不足通常采用體外預(yù)應(yīng)力索加固法，當(dāng)箱梁高度較低，箱室內(nèi)無法施工時(shí)，在箱梁的底面或側(cè)面安裝體外預(yù)應(yīng)力索；當(dāng)箱梁高度較大，箱室內(nèi)便于施工時(shí)，在箱室內(nèi)安裝體外預(yù)應(yīng)力索。然而，當(dāng)箱梁橋的跨度不大時(shí)（40～100m），箱梁高度并不大（低于2.0m），箱室內(nèi)無法施工（主要因?yàn)閮艨崭叨容^低），而且箱室本身也比較寬（城市或高速公路的單箱寬度超過12m），而形成低高度寬體箱梁橋。這類寬體箱梁橋在側(cè)面布置體外預(yù)應(yīng)力索，存在預(yù)應(yīng)力集中布置，箱梁因剪力滯效應(yīng)[2]，預(yù)應(yīng)力分布不均勻等問題。為解決這些困難，文章提出采用分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法，在箱梁底面沿寬度方向均勻布置并粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板，與箱梁形成有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系，不但解決預(yù)應(yīng)力的集中錨固的缺陷，而且避免體外預(yù)應(yīng)力的震動(dòng)和疲勞等問題，此外，預(yù)應(yīng)力碳纖維板本身較薄，加固后對(duì)結(jié)構(gòu)的外觀影響非常小，是一種非常適用于低高度寬體箱梁橋的加固方案。為便于說明分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法，以南京三汊河大橋加固處治工程為例，對(duì)分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板和體外預(yù)應(yīng)力兩種加固方案進(jìn)行了對(duì)比研究。

1工程概況

三汊河大橋位于南京市下關(guān)區(qū)外秦淮河與惠民河交叉處，南北走向，全橋長435.12m。其中主橋采用（45+60+45）m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，引橋?yàn)榻M合箱梁橋，橋面總寬24m，單幅寬12m。主橋上部結(jié)構(gòu)采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，墩頂梁高3.8m，跨中梁高1.8m，梁高按照拋物線變化。箱梁采用單箱單室截面（如圖1），箱梁頂寬12m，底寬6.5m，懸臂長2.75m，頂?shù)装搴?5cm，腹板厚30cm，墩頂處箱梁腹板漸變?yōu)?0cm，底板漸變?yōu)?0cm厚。橋梁施工采用懸臂澆筑法完成。對(duì)跨中截面，箱梁高度與寬度之比為0.15，是典型的低高度寬體箱梁。

2主體結(jié)構(gòu)病害

經(jīng)檢測三汊河大橋主橋邊跨合攏段附近存在大量底板橫向與腹板斜向裂縫，箱梁頂板普遍存在縱向裂縫，主橋施工時(shí)節(jié)段間澆筑質(zhì)量較差，多處接縫處存在高差，高差最大值達(dá)5cm，預(yù)應(yīng)力筋外露銹蝕，個(gè)別波紋管內(nèi)沒有灌漿。邊跨底板橫向及腹板斜向裂縫從其分布位置及形態(tài)分析，橫向裂縫表現(xiàn)為彎曲裂縫，腹板斜裂縫表現(xiàn)出較明顯的剪切受力裂縫狀態(tài)，其中個(gè)別裂縫寬度達(dá)到0.15mm。根據(jù)城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范裂縫寬度要求，三汊河大橋檢測評(píng)估等級(jí)為D級(jí)—不合格級(jí)，急需進(jìn)行加固修復(fù)[3]。

3加固設(shè)計(jì)

3.1加固前計(jì)算分析

橋梁加固前計(jì)算采用有限元程序進(jìn)行，計(jì)算采用平面桿系理論，主梁三維梁單元模擬。為了比較準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的受力情況，各個(gè)構(gòu)件截面特性按照結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸進(jìn)行取值，施工階段按照原設(shè)計(jì)圖中階段進(jìn)行懸澆施工模擬。計(jì)算中荷載主要考慮自重、二期恒載、溫度作用、支座沉降、收縮徐變、預(yù)應(yīng)力以及汽車作用，其中汽車作用按照原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)汽-20級(jí)，掛-100級(jí)加載，并考慮汽車沖擊作用。驗(yàn)算采用的規(guī)范限值按照規(guī)范[4]執(zhí)行。經(jīng)過模擬計(jì)算可以得出以下結(jié)果：由正截面抗彎承載能力包絡(luò)圖（如圖2）可以得出，主橋邊跨合攏段附近正截面抗彎承載力不足，主橋中跨跨中正截面抗彎承載力儲(chǔ)備較少。由正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果（如圖3）可知，短期效應(yīng)下主橋邊跨合攏段附近正截面拉應(yīng)力最大值-3.08MPa遠(yuǎn)大于A類構(gòu)件限制應(yīng)力-1.68MPa，正截面抗裂不滿足要求。驗(yàn)算結(jié)果顯示除以上兩項(xiàng)不滿足規(guī)范要求外，另外還有邊支點(diǎn)附近抗剪承載力及箱室框架頂板抗彎承載力不滿足規(guī)范要求。由此可見，三汊河橋梁主橋的計(jì)算結(jié)果與檢測中發(fā)現(xiàn)的病害是吻合的，這也說明橋梁病害產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)受力不滿足使用要求是緊密相關(guān)的。

3.2加固設(shè)計(jì)方案

限于篇幅，本文中僅介紹抗彎加固的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于抗彎加固一般采用粘貼碳纖維板（或布）、鋼板或體外預(yù)應(yīng)力加固[5]，本橋梁為大跨徑預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)，除抗彎承載力不滿足外，邊跨合攏段附近截面下緣拉應(yīng)力也超標(biāo)較多。理論分析認(rèn)為，混凝土截面裂縫開裂后，開裂的截面剛度折減[6]，靠近開裂位置的受拉鋼筋會(huì)因水氣的進(jìn)入而逐漸銹蝕，影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性及結(jié)構(gòu)安全。為此，合理的加固方案不僅要提高截面承載能力，還需對(duì)截面邊緣出現(xiàn)的較大拉應(yīng)力進(jìn)行消壓，使得較大寬度（大于0.1mm）裂縫的開展有所限制，較小寬度（小于等于0.1mm）裂縫適度的閉合。考慮到普通粘貼加固是一種被動(dòng)加固法，對(duì)既有結(jié)構(gòu)加固，存在二次受力問題，雖然對(duì)截面承載能力有一定程度提高，但是無法有效消壓，對(duì)裂縫的開展限制作用有限，更不可能閉合裂縫[7]。經(jīng)分析研究，認(rèn)為采用預(yù)應(yīng)力加固的主動(dòng)加固方法才可以滿足本橋的加固要求[8-9]，提出以下兩種方法。

3.2.1體外預(yù)應(yīng)力索加固

本方案對(duì)原橋梁結(jié)構(gòu)抗彎不足的邊跨合攏段附近及中跨跨中附近采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固，橫向在截面兩側(cè)近腹板處對(duì)稱布置兩束15-φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼束，每束預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉力為2520kN。由于箱室內(nèi)的高度在1.3m左右，設(shè)置錨固齒塊及預(yù)應(yīng)力張拉施工均較為困難；若設(shè)置在箱室外，錨固座及預(yù)應(yīng)力索使橋梁外觀不佳；出于對(duì)體外預(yù)應(yīng)力筋加固的受力進(jìn)行對(duì)比分析，暫以在箱室內(nèi)的布置方案為研究對(duì)象。

3.2.2分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固

通過在箱梁底面（邊跨合攏段、中跨跨中一定范圍內(nèi)）粘貼多條預(yù)應(yīng)力碳纖維板，碳纖維板厚2mm，寬50mm，每根預(yù)應(yīng)力碳板張拉力為120kN，總張拉力為2520kN。相對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力筋加固（方案一），分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板（方案二）的預(yù)應(yīng)力布置思路是“化整為零”，這樣有很多好處。第一，避免集中的體外預(yù)應(yīng)力在寬箱梁上的剪力滯效應(yīng)[2]，讓預(yù)應(yīng)力在箱梁上分布更合理（下面詳細(xì)計(jì)算）；第二，預(yù)應(yīng)力碳纖維板布置在箱梁底面，距中性軸較遠(yuǎn)，預(yù)應(yīng)力的抗彎效果更好；第三，預(yù)應(yīng)力碳纖維板與箱梁相黏結(jié)，能緊密結(jié)合，在受力時(shí)共同工作，能抑制既有裂縫的擴(kuò)展，這是體外預(yù)應(yīng)力筋或者無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋所不具有的特點(diǎn)[9]；第四，碳纖維板厚度較薄，施工完成后，對(duì)箱梁的外觀基本不改變，對(duì)城市橋梁景觀來說至關(guān)重要；第五，錨固區(qū)設(shè)置同樣也是“化整為零”，每個(gè)錨固座的設(shè)計(jì)將變得相當(dāng)簡單，甚至錨固座可以實(shí)現(xiàn)隱形設(shè)計(jì)，施工完成后，同碳纖維板一樣對(duì)橋梁外觀幾乎沒有改變。

3.3寬體箱梁加固后橫向應(yīng)力分布計(jì)算

針對(duì)以上兩種預(yù)應(yīng)力加固方案，對(duì)后加預(yù)應(yīng)力在寬體箱梁上的應(yīng)力分布分別做有限元分析對(duì)比計(jì)算。計(jì)算中采用Midascivil軟件中的實(shí)體單元模擬箱梁節(jié)段混凝土，預(yù)應(yīng)力筋體外束及碳纖維板以桁架單元模擬分析計(jì)算。經(jīng)有限元結(jié)構(gòu)分析可知：方案一中體外預(yù)應(yīng)力束加固的箱梁節(jié)段，由于鋼束張拉及錨固力均較大，因此靠近腹板位置處，在預(yù)應(yīng)力作用下，壓應(yīng)力首先由齒塊傳遞至與其相連的腹板及底板，最后才能傳遞至底板中部，底板上產(chǎn)生的應(yīng)力沿橫向是不均勻分布的，呈現(xiàn)中間小兩邊大的狀態(tài)。此處，齒塊位置最大壓應(yīng)力26.31MPa，底板中間壓應(yīng)力接近0，可見體外束加固后對(duì)底板的消壓作用因箱梁的剪力滯效應(yīng)，預(yù)壓應(yīng)力分布極不均勻，施力處大，遠(yuǎn)離處小，受力較不合理。方案二中分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的梁段，由于碳纖維板直接布置于箱梁底板，預(yù)應(yīng)力作用下，壓應(yīng)力通過錨具及黏結(jié)力直接作用于底板，無剪力滯效應(yīng)[2]，分析結(jié)果顯示底板壓應(yīng)力為4.99MPa，且壓應(yīng)力沿底板分布均勻，可見分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固對(duì)底板的消壓作用相對(duì)而言是均勻且顯著的。基于以上分析，并考慮兩種預(yù)應(yīng)力加固方法的施工難度及耐久性[8-10]、經(jīng)濟(jì)性，最終采用分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方案作為加固設(shè)計(jì)方案。

3.4加固后橋梁整體效果分析

對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行模擬分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果（如圖8、圖9）顯示經(jīng)分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后橋梁抗彎承載力及正截面抗裂能力均有大幅提高。表明該橋采用分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方案可以達(dá)到預(yù)期加固效果。

4結(jié)語

通過對(duì)南京市三汊河大橋的加固設(shè)計(jì)的對(duì)比研究，可以得出：對(duì)于低高度寬體箱梁橋結(jié)構(gòu)因抗彎承載力不足或裂縫寬度較大等病害，采用分布式預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固是一種較體外預(yù)應(yīng)力筋加固更合理可行的方法，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行條件下應(yīng)優(yōu)先采用。

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作者:陳鐵軍 卓靜 單位:四川西南交大土木工程設(shè)計(jì)有限公司 重慶科技學(xué)院