前言
薄壁箱梁橋的受力特點(diǎn)及加固方法國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究并取得了一定的成果。但是，目前對(duì)于這類(lèi)原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)低、材料強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)斷面尺寸薄弱的梁橋的加固技術(shù)研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。
而目前這類(lèi)建造年代較早且具有上述特點(diǎn)的橋梁，由于其所處橋位的重要性以及歷史的原因，至今一直承擔(dān)著繁重的運(yùn)營(yíng)荷載，使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了多種類(lèi)型的病害。因此，為了確保大橋的正常使用和運(yùn)營(yíng)安全，有必要對(duì)此類(lèi)型的橋梁進(jìn)行加固維修。
本文以南寧市邕江大橋?yàn)楸尘埃摌蛴?964年建成通車(chē)，是中國(guó)最早采用閉口薄壁桿件理論設(shè)計(jì)的一座懸臂式鋼筋混凝土橋梁。通過(guò)對(duì)該薄壁箱梁橋病害原因的分析，有針對(duì)性的進(jìn)行加固方案的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出科學(xué)合理的加固方案，并通過(guò)施工取得了良好的加固效果。
1工程概況、主要病害及原因分析
1.1工程概況
邕江大橋坐落在廣西壯族自治區(qū)首府南寧市中心，是南寧市連接邕江兩岸的一座重要橋梁。邕江大橋于1960年全面動(dòng)工，經(jīng)過(guò)4年多的緊張施工，于1964年7月大橋正式通車(chē)。邕江大橋?yàn)橹袊?guó)最早采用閉口薄壁桿件理論設(shè)計(jì)的一座懸臂式鋼筋混凝土薄壁箱型城市橋梁，該橋的建成代表了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)橋梁架設(shè)的較高水平，在中國(guó)的橋梁史上留下了濃墨重彩的一筆。該橋?qū)嵕罢找?jiàn)下圖1。
邕江大橋全長(zhǎng)394.6m，橋梁全寬24.6m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-18級(jí)，拖-80。橋梁結(jié)構(gòu)跨徑組成為（45+16）m（單懸臂簡(jiǎn)支梁）+23m（掛孔）+（16+55+16）m（雙懸臂簡(jiǎn)支梁）+23m（掛孔）+（16+55+16）m（雙懸臂簡(jiǎn)支梁）+23m（掛孔）+（16+45）m（單懸臂簡(jiǎn)支梁）（見(jiàn)下圖2所示）。上部結(jié)構(gòu)為兩個(gè)獨(dú)立的單箱三室截面，兩個(gè)箱梁之間通過(guò)支承于箱梁懸臂上的簡(jiǎn)支板連接；在墩臺(tái)處設(shè)置剛接的連續(xù)橫隔梁，其余的橫隔梁均為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，用以支承煤氣、水管管道。下部結(jié)構(gòu)北岸為埋置式橋臺(tái)，南岸為U型橋臺(tái)。橋墩采用雙柱式，支承于分離式沉井基礎(chǔ)上。1號(hào)墩和4～6號(hào)墩為筑島及就地預(yù)制沉井基礎(chǔ)，2號(hào)墩、3號(hào)墩因施工水位深達(dá)11m，采用預(yù)制雙層薄壁鋼筋混凝土浮運(yùn)沉井。邕江大橋斷面圖見(jiàn)下圖3所示。結(jié)構(gòu)主要材料參數(shù)表見(jiàn)下表1所示。
1.2橋梁結(jié)構(gòu)主要病害
邕江大橋經(jīng)過(guò)45年多的運(yùn)營(yíng)，隨著交通量的增加、車(chē)輛荷載等級(jí)的不斷提高、周?chē)h(huán)境溫差的變化、遭受特殊荷載的作用以及耐久性的原因，大橋出現(xiàn)了多種類(lèi)型的病害。
圖1 邕江大橋?qū)嵕?br />
圖2 邕江大橋總體布置圖
圖3 邕江大橋箱梁懸臂端斷面示意圖
1.2.1上部結(jié)構(gòu)主要病害
上部結(jié)構(gòu)主要病害表現(xiàn)為箱梁開(kāi)裂。
依據(jù)《南寧市邕江大橋承載能力檢測(cè)及安全評(píng)估報(bào)告》（2005年12月），該橋箱梁存在大量裂縫。其中寬度大于0.15mm的裂縫有4346條。相對(duì)于1969年、1980年、1995年、1998年的橋梁檢測(cè)結(jié)果，裂縫寬度和數(shù)量均呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。典型裂縫及其發(fā)展趨勢(shì)見(jiàn)下圖4所示。
圖4 箱梁裂縫及其發(fā)展趨勢(shì)圖
1、箱梁支點(diǎn)頂板橫向開(kāi)裂
該橋支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)箱梁頂板出現(xiàn)大量橫橋向裂縫，且大部分裂縫已貫通箱梁頂板，并向兩側(cè)腹板延伸，裂縫寬度大多在0.1～0.5mm間，個(gè)別裂縫寬度達(dá)到1.0mm，遠(yuǎn)超出《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99－2003）第5.4.2條要求。與1998年的檢測(cè)結(jié)果相比，裂縫寬度、數(shù)量增加較多。
2、箱梁腹板斜向開(kāi)裂
該橋箱梁腹板有較多斜裂縫，多集中于反彎點(diǎn)處，且大部分縫寬超過(guò)0.2mm，個(gè)別裂寬達(dá)0.5mm。典型病害見(jiàn)下圖5所示。
3、掛梁端部及箱梁牛腿斜向開(kāi)裂
該橋大部分掛梁牛腿均有開(kāi)裂現(xiàn)象，且大部分裂縫超過(guò)0.2mm，須對(duì)其進(jìn)行加固處理。病害見(jiàn)下圖6所示。
4、掛梁跨中梁底存在橫向裂縫，大部分裂縫比較細(xì)小，部分縫寬超過(guò)0.2mm。
圖5 腹板斜向開(kāi)裂 圖6 箱梁牛腿斜向開(kāi)裂
1.2.2下部結(jié)構(gòu)主要病害
1、2號(hào)墩蓋梁上游懸臂開(kāi)裂
該橋墩蓋梁出現(xiàn)大量裂縫，雖然裂縫寬度偏大，其中2號(hào)墩上游挑梁裂縫最大寬度為2.0mm，但大部分裂縫長(zhǎng)度較短。病害見(jiàn)下圖7所示。
2、橋臺(tái)通道墻身存在較多裂縫，最大裂縫寬度22mm，墻身向臺(tái)后方向產(chǎn)生水平位移；混凝土表面有局部破損剝落。病害見(jiàn)下圖8所示。
圖7 2號(hào)墩上游蓋梁開(kāi)裂 圖8 橋臺(tái)通道前墻開(kāi)裂
1.2.3附屬構(gòu)造主要病害
1、伸縮縫
伸縮縫內(nèi)填有較多砂石，影響伸縮縫的正常使用功能。
2、支座
橋墩支座存在不同程度的銹蝕；
掛梁支座嚴(yán)重銹蝕，已經(jīng)不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)。
雖然上述病害對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性影響較小，但嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的正常使用，為結(jié)構(gòu)正常運(yùn)營(yíng)埋下了安全隱患。
1.2.4影響結(jié)構(gòu)耐久性的缺陷
1、混凝土碳化深度
經(jīng)檢測(cè)，箱梁混凝土碳化深度5～11.2mm；掛梁最大碳化深度18.1mm；橋墩和蓋梁混凝土碳化深度10～30mm，部分已經(jīng)達(dá)到鋼筋表面。
2、鋼筋銹蝕電位測(cè)試
鋼筋的實(shí)測(cè)銹蝕電位測(cè)試值均在-200mv以上，且相鄰電極電位差在100～150mv之間。邕江大橋經(jīng)過(guò)45年多的運(yùn)營(yíng)，大部分鋼筋已處于銹蝕的臨界點(diǎn)，低電位一側(cè)可能存在銹蝕。因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性維修，防止可能因鋼筋銹蝕引起的脆性破壞，延長(zhǎng)橋梁使用壽命是必要而且重要的。
1.3受力性病害原因分析
1.3.1箱梁抗彎承載能力驗(yàn)算
邕江大橋由于建造年代較早，橋梁結(jié)構(gòu)本身存在一定的缺陷，因此為了確保計(jì)算結(jié)果的合理，且有足夠的可靠度，計(jì)算分析時(shí)分別考慮活載影響修正系數(shù)、鋼筋截面折減系數(shù)、混凝土截面折減系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)和承載能力檢算系數(shù)等主要計(jì)算參數(shù)。同時(shí)在計(jì)算過(guò)程中考慮了以下兩種荷載組合。結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)下表2所示。
荷載組合Ⅰ：恒載+汽-15級(jí)+人群荷載；
荷載組合Ⅱ：恒載+掛-80；
表2 箱梁抗彎極限承載能力驗(yàn)算結(jié)果
項(xiàng)目
|
加固前彎矩Mj(kN·m)
|
加固前結(jié)構(gòu)抗力Mu(kN·m)
|
加固前Mu/Mj
|
雙
懸
臂
|
支點(diǎn)
|
組合Ⅰ
|
-100738.6
|
103429.7
|
1.03
|
組合Ⅱ
|
-92268.8
|
103429.7
|
1.12
|
跨中
|
組合Ⅰ
|
38663.0
-4398.4
|
30429.2
9056.0
|
0.79
2.06
|
組合Ⅱ
|
30819.1
5438.4
|
30429.2
30429.2
|
0.99
/
|
單
懸
臂
|
支點(diǎn)
|
組合Ⅰ
|
-94028.6
|
80421.6
|
0.86
|
組合Ⅱ
|
-86843.7
|
80421.6
|
0.93
|
跨中
|
組合Ⅰ
|
39565.8
|
35086.7
|
0.89
|
組合Ⅱ
|
36191.7
|
35086.7
|
0.97
|
通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果可以看出，原結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力不能滿(mǎn)足目前運(yùn)營(yíng)荷載效應(yīng)的要求，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)域，箱梁頂板出現(xiàn)橫向裂縫。
1.3.2箱梁抗剪承載能力驗(yàn)算
結(jié)構(gòu)抗剪承載能力計(jì)算原則與抗彎承載能力計(jì)算原則相同，抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)下表3所示。
通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪計(jì)算結(jié)果的分析，可以看出，單懸臂箱梁支點(diǎn)區(qū)域，結(jié)構(gòu)的抗剪承載能力不能滿(mǎn)足目前運(yùn)營(yíng)荷載效應(yīng)的要求，導(dǎo)致箱梁腹板出現(xiàn)斜向裂縫。
表3 箱梁抗剪極限承載能力驗(yàn)算結(jié)果
項(xiàng)目
|
加固前剪力Qj(kN·m)
|
加固前結(jié)構(gòu)抗力Qu(kN·m)
|
加固前Qu/Qj
|
雙
懸
臂
|
支點(diǎn)
|
組合Ⅰ
|
8834.9
|
9749.8
|
1.11
|
組合Ⅱ
|
7874.6
|
9749.8
|
1.24
|
L/4
|
組合Ⅰ
|
5122.3
|
6122.6
|
1.20
|
組合Ⅱ
|
4741.8
|
6122.6
|
1.29
|
單
懸
臂
|
支點(diǎn)
|
組合Ⅰ
|
8702.2
|
7847.1
|
0.90
|
組合Ⅱ
|
8171.3
|
7847.1
|
0.96
|
L/4
|
組合Ⅰ
|
5080.5
|
6430.6
|
1.27
|
組合Ⅱ
|
4600.8
|
6430.6
|
1.40
|
1.3.3其他病害原因分析
全橋掛梁端部及箱梁牛腿處存在不同程度的斜向開(kāi)裂，其主要是由于端部區(qū)域抗剪強(qiáng)度不足造成。橋臺(tái)通道墻身存在較多裂縫以及臺(tái)身向臺(tái)后方向發(fā)生水平位移，主要是由于橋臺(tái)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻的沉降導(dǎo)致。
2加固維修設(shè)計(jì)
通過(guò)上述對(duì)邕江大橋不同部位存在的不同病害原因的深入分析，以及對(duì)結(jié)構(gòu)詳細(xì)的計(jì)算分析，經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)方案的反復(fù)論證，最終對(duì)于不同病害確定了如下不同的加固設(shè)計(jì)方案。
2.1箱梁加固設(shè)計(jì)
2.1.1體外預(yù)應(yīng)力加固
對(duì)于結(jié)構(gòu)實(shí)際抗彎承載能力不能滿(mǎn)足目前運(yùn)營(yíng)荷載效應(yīng)的要求引起的病害缺陷，通過(guò)在箱梁內(nèi)設(shè)置OVM無(wú)粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系，使原鋼筋混凝土橋梁達(dá)到部分預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的受力狀態(tài)，最終使得大橋在目前實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載作用下處于良好的工作狀態(tài)。
新增設(shè)的體外預(yù)應(yīng)力鋼束兩端分別錨固于箱梁的梁端。沿橋梁橫斷面方向共設(shè)置6根9Φ15.2mm的體外預(yù)應(yīng)力鋼束，每個(gè)內(nèi)腹板對(duì)應(yīng)2束，外腹板對(duì)應(yīng)1束(置于箱內(nèi))。詳見(jiàn)下圖9所示。
圖9a 雙懸臂體外預(yù)應(yīng)力加固示意圖
圖9b 單懸臂體外預(yù)應(yīng)力加固示意圖
2.1.2粘貼碳纖維板加固
結(jié)構(gòu)實(shí)際的抗剪承載力不能滿(mǎn)足目前運(yùn)營(yíng)荷載效應(yīng)引起的腹板斜裂縫，通過(guò)在單、雙懸臂箱梁內(nèi)，垂直于主拉應(yīng)力方向粘貼碳纖維板來(lái)改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。
在雙懸臂簡(jiǎn)支梁箱梁支點(diǎn)附近32.4m區(qū)域內(nèi)，垂直于主拉應(yīng)力方向粘貼碳纖維板，單懸臂簡(jiǎn)支梁箱梁中支點(diǎn)附近34.5m區(qū)域內(nèi)，直于主拉應(yīng)力方向粘貼碳纖維板，碳纖維板條寬度為20mm，厚度為1.4mm。見(jiàn)下圖10所示。
2.1.3裂縫處理
裂縫寬度≥0.15mm的裂縫采用壓漿法進(jìn)行灌注封閉；寬度＜0.15mm的裂縫采用表面注漿封閉，大面積區(qū)域內(nèi)寬度＜0.15mm的裂縫采用粘貼碳纖維復(fù)合材料。
2.2掛梁端部及箱梁牛腿加固設(shè)計(jì)
該橋箱梁牛腿及掛梁端部支點(diǎn)附近的角隅處均不同程度地存在斜向裂縫，部分裂縫寬度超過(guò)0.2mm。因此，為保證結(jié)構(gòu)安全，通過(guò)粘貼鋼板和增設(shè)加勁肋的辦法對(duì)局部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。其中，箱梁牛腿除在箱內(nèi)端橫梁位置箱梁腹板兩側(cè)粘貼鋼板外，還在箱梁牛腿外側(cè)的角隅處設(shè)置鋼加勁肋板，加勁肋板直接與預(yù)先固定在牛腿上的鋼板焊接；T梁粘貼L型鋼板于掛梁端部腹板兩側(cè)。鋼板厚度為10mm。見(jiàn)下圖11所示。
圖10 腹板粘貼碳纖維板加固
圖11 掛梁端部及箱梁牛腿加固
2.3橋墩墩身蓋梁加固
通過(guò)在2號(hào)橋墩蓋梁懸臂端側(cè)面粘貼16Mnq鋼板對(duì)其進(jìn)行加固處理，以確保該橋墩蓋梁的結(jié)構(gòu)安全。加固用鋼板厚度為6mm，單塊鋼板條寬度為10cm，鋼板間距為20~30cm。
2.4加固后計(jì)算結(jié)果
加固后計(jì)算過(guò)程與加固前計(jì)算類(lèi)似，主要考慮以下兩種荷載組合：
荷載組合Ⅰ：恒載+預(yù)應(yīng)力荷載+汽-15級(jí)+人群荷載；
荷載組合Ⅱ：恒載+預(yù)應(yīng)力荷載+掛-80；
2.4.1箱梁抗彎承載能力計(jì)算
加固后箱梁抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表3所示。
表3 加固后箱梁抗彎極限承載能力驗(yàn)算結(jié)果
項(xiàng)目
|
加固后彎矩Mj(kN·m)
|
加固后結(jié)構(gòu)抗力Mu(kN·m)
|
加固后Mu/Mj
|
雙
懸
臂
|
支點(diǎn)
|
組合Ⅰ
|
-81014.2
|
103429.7
|
1.28
|
組合Ⅱ
|
-73829.9
|
103429.7
|
1.40
|
跨中
|
組合Ⅰ
|
35484.7
-8005.6
|
37158.6
9056.0
|
1.05
1.13
|
組合Ⅱ
|
27764.1
2131.8
|
37158.6
37158.6
|
1.34
/
|
單
懸
臂
|
支點(diǎn)
|
組合Ⅰ
|
-78844.7
|
80421.6
|
1.02
|
組合Ⅱ
|
-73540.2
|
76911.4
|
1.05
|
跨中
|
組合Ⅰ
|
33257.0
|
35086.7
|
1.06
|
組合Ⅱ
|
29809.0
|
35086.7
|
1.18
|
經(jīng)計(jì)算，加固后主橋箱梁抗彎承載能力能滿(mǎn)足目前運(yùn)營(yíng)荷載的效應(yīng)要求，并有一定的安全儲(chǔ)備。
2.4.2箱梁抗剪承載能力計(jì)算
加固后箱梁抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表4所示。
表4 加固后箱梁抗剪極限承載能力驗(yàn)算結(jié)果
項(xiàng)目
|
加固后彎矩Mj(kN·m)
|
加固后結(jié)構(gòu)抗力Mu(kN·m)
|
加固后Mu/Mj
|
雙
懸
臂
|
支點(diǎn)
|
組合Ⅰ
|
8077.9
|
12163.5
|
1.51
|
組合Ⅱ
|
7117.6
|
12163.5
|
1.71
|
跨中
|
組合Ⅰ
|
4090.8
|
8536.3
|
2.09
|
組合Ⅱ
|
3710.3
|
8536.3
|
2.30
|
單
懸
臂
|
支點(diǎn)
|
組合Ⅰ
|
8276.4
|
9703.8
|
1.17
|
組合Ⅱ
|
7557.5
|
9703.8
|
1.28
|
跨中
|
組合Ⅰ
|
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