舊橋承載力演變過程及加固施工方法對其影響分析
2015-06-30
引言
隨著國家國民經(jīng)濟的發(fā)展和人們物質(zhì)文化生活水平的日益提高，對通行能力的需求呈迅速增長的發(fā)展態(tài)勢，交通運輸車輛載重量急劇增加、車速提升，對道路技術(shù)標準提高意愿日益急切，由此而來，交通需求的增長與橋梁承載力衰變之間呈現(xiàn)的供需矛盾日益突出。然而，已建橋梁超負荷運作的外因，不斷激發(fā)結(jié)構(gòu)本身性能的衰變，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)安全富余能力耗散之后，各種內(nèi)部缺陷及誘發(fā)病害日益顯露出來，在長期疲勞荷載與環(huán)境災(zāi)害作用下，結(jié)構(gòu)逐漸衰變。結(jié)構(gòu)衰變的功能特征表現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性等物理力學(xué)性質(zhì)的衰退。由于橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，利用目前的橋梁檢測手段，可以對橋梁的外觀病害和荷載響應(yīng)做出基本判斷，初步評估橋梁的工作狀態(tài)，并根據(jù)橋梁檢測結(jié)果提出加固補強方案。但是在大量橋梁加固過程之中，橋梁加固后的承載能力并沒有得到有效提升，很難滿足交通對橋梁承載力不斷提升的需求。在加固方案設(shè)計階段，更多的是對舊橋進行病害治理，達到舊橋新建時候的承載力為最終目標，而舊橋是否存在承載力繼續(xù)提升可能性和如何提升方面考慮的并不深入；在施工階段，很多病害治理和加固過程存在舊橋受力變化，不同的施工順序?qū)εf橋承載力影響也不盡相同。
本文基于橋梁承載力演變理論，對舊橋承載力演變過程進行分析，提出舊橋處于各種承載力階段應(yīng)注意的養(yǎng)管特點和最佳加固階段選擇。以金渝大道渝長高速跨線橋應(yīng)急搶險工程為例，分析了該橋承載力所處演化階段，探討了市政橋梁加固施工方法對橋梁承載力的影響。
1、舊橋承載力演變過程分析
橋梁建成后整個服役期，結(jié)構(gòu)性能總是處于變化的過程中，其變化總的趨勢是由新至舊、由高到低、由好到壞的減弱變化過程，且符合客觀事物生存興衰變化總勢趨。變化的功能特征表現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性等物理力學(xué)性質(zhì)的衰退；結(jié)構(gòu)自身外部特征表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)變形增大、裂縫發(fā)育、混凝土表面碳化加劇、鋼筋銹蝕加重、構(gòu)件呈現(xiàn)損傷破壞等。重慶交通大學(xué)肖盛燮教授等[1]對橋梁承載力演變做了深入研究，提出橋梁承載力演變理論，將橋梁承載力演變分為四個階段，分別為承載力耗散階段、承載力衰變階段、承載力潰損階段、承載力提升階段，各階段遞推和銜接關(guān)系如圖2示。
根據(jù)橋梁承載力演變規(guī)律，采取不同的養(yǎng)管措施。承載力耗散階段是橋梁富余承載力被逐漸消耗的過程，是橋梁承載力變化的初期階段，主要采取經(jīng)常性的養(yǎng)護維修，以維持橋梁的正常運營，保持和延長橋梁壽命。但是在舊橋有新的使用要求或存在不能滿足交通通行能力需求時，需進行必要的補強加固技術(shù)改造，提升橋梁承載力。橋梁承載力耗散階段即是結(jié)構(gòu)自身開始呈現(xiàn)病害，承載力逐漸降低的過程，還是舊橋承載力與交通供需之間安全富余逐漸減少的過程。
在橋梁承載力衰變階段，橋梁出現(xiàn)不同程度的病害，雖然能夠基本滿足安全運營，但需要進行結(jié)構(gòu)補強、限載等技術(shù)管理措施來維持橋梁的正常運營，延長橋梁壽命。目前，大量的舊橋加固都是在這個階段進行的，在對舊橋定期檢測之后發(fā)現(xiàn)不斷出現(xiàn)更多新的病害。因此舊橋加固的效果就極為重要，可能能夠提升舊橋承載力，可能能夠保持舊橋承載力當(dāng)前水平，但也有可能只是延緩了舊橋承載力繼續(xù)下降的趨勢。在舊橋檢測過程之后，應(yīng)加強舊橋承載力定量評估，對舊橋承載力提升做可行性評估，進而確定最優(yōu)加固方案。舊橋按照加固方案實施之后，應(yīng)對加固后的舊橋承載力進行重新檢測，最終確定舊橋承載力加固之后的真實狀態(tài)。
當(dāng)橋梁進入潰損階段時，橋梁結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)，即在當(dāng)前狀態(tài)下結(jié)構(gòu)可靠性不能滿足要求，雖然經(jīng)過加固后可以滿足可靠性要求，但在剩余使用壽命期內(nèi)所創(chuàng)造的效益小于加固費用或目標效益，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不值得加固或維修。在這個階段，應(yīng)該封閉橋梁繼續(xù)運營，或者改變?yōu)榻煌ê奢d要求更低的用途，或者拆除重建。
2、舊橋最佳加固階段的選擇
基于以上對承載力演化各階段的分析，可以初步確定舊橋最佳加固階段為承載力耗散階段中后期，提升舊橋承載力與交通供需的富余程度。根據(jù)交通需求趨勢設(shè)計加固方案，提高舊橋承載力達到或者超過新建時候承載水平，保持舊橋安全運營，減緩舊橋承載力耗散速度，控制病害向關(guān)鍵部位發(fā)展。在這個階段進行舊橋加固可以比較容易達到或超過新建時候的承載力，能夠滿足交通日益增長的需求。
舊橋出現(xiàn)明顯病害，而且發(fā)展趨勢明顯，舊橋的承載力處于衰變階段。這個階段的舊橋結(jié)構(gòu)越來越明顯表現(xiàn)出滿足交通需求困難，則必須進行對舊橋承載力提升，保證交通正常運行。處于這個階段的舊橋提升承載力需進行可行性評估，評估結(jié)構(gòu)病害是否能通過加固措施能夠提升至或者超過新建時候的承載水平。工程實踐表明，通過加固技術(shù)措施，大多數(shù)橋梁只能接近新建時候的承載水平，或者只能勉強滿足目前交通需求。因此，對于承載力處于此階段的舊橋應(yīng)該加大檢測密度，定期掌握加固之后的響應(yīng)狀態(tài)，防止舊橋病害向結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位發(fā)展，必要時需采取交通限制措施。
3、工程示例
3.1工程概況
金渝大道渝長高速跨線橋位于金渝大道上，上跨渝長高速公路，為一座兩跨預(yù)應(yīng)力砼預(yù)制空心板橋，橋梁總長為50m，橋跨布置為25m+25m，半幅橋面寬23m。預(yù)制孔板為C40砼，板寬1.49m，板高1.1m，橋梁分為左右兩幅，兩個橋橫向完全分離，中間設(shè)置8m隔離帶。橋面鋪裝采用12cm厚的鋼筋混凝土橋面鋪裝。該橋于2003年建成通車，原設(shè)計荷載等級為汽-超20、掛-120。
該橋于2009年12月進行了一次橋梁檢測，檢測結(jié)果為：（1）全橋每片預(yù)制板均發(fā)現(xiàn)2～5條順預(yù)應(yīng)力鋼束裂縫，裂縫一般較長，沿橋間斷分布，縫寬介于0.06～0.20mm；（2）橋面車行道鋪裝層表面有大量縱向裂紋，臺后搭板存在不同程度破損、開裂現(xiàn)象等。 2012年1月，對該橋重新進行了一次檢測，上部結(jié)構(gòu)裂縫與前一次檢測基本一致，主要表現(xiàn)為空心板底板縱向裂縫，但裂縫呈增多、變寬趨勢；橋面鋪裝病害嚴重加劇，并出現(xiàn)穿孔破壞，裂縫增多變寬；伸縮縫鋼板預(yù)埋筋外露銹蝕，與鋪裝接縫處砼碎邊等；最后對該橋技術(shù)狀況評定為D級橋梁。
3.2舊橋承載力分析
根據(jù)檢測報告，金渝大道渝長高速跨線橋結(jié)構(gòu)承載力能夠滿足設(shè)計荷載要求，但橋梁橫向整體性較差，荷載橫向分布系數(shù)達不到設(shè)計要求，由空心板整體受力逐漸向單片獨立受力方向發(fā)展，空心板受局部荷載增大。舊橋整體性能減弱主要原因為：（1）橋面鋪裝開裂，導(dǎo)致車輛荷載直接作用于空心板上，尤其是鉸縫附近；（2）交通量增大，超載超限車輛增多，鉸縫傳遞荷載時在重載反復(fù)作用下出現(xiàn)疲勞損壞，嚴重降低了鉸縫橫向傳遞荷載能力。
通過現(xiàn)場病害勘查和檢測結(jié)果，可以判斷該橋承載力正在耗散，病害正在加劇，處于舊橋承載力耗散階段中后期。通過設(shè)計計算分析，該橋通過治理承載力可以提升，達到或者超過新建時候的承載力。該橋經(jīng)設(shè)計專家評審結(jié)論：鑒于現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求，建議進一步簡化空心板底面處治，必要時可對于車行道范圍的空心板在采用粘貼碳纖維布進行耐久性處置同時，適當(dāng)增強結(jié)構(gòu)承載力，以適應(yīng)交通量的不斷增大。
基于檢測報告和專家評審意見，該橋主要加固措施為：（1）優(yōu)化植筋方案，僅在空心板腹板位置增加植筋，并采取了加強新舊砼的粘結(jié)的措施和橋面鋼筋網(wǎng)，以確保橋面鋪裝部分參與結(jié)構(gòu)工作和橋梁橫向整體性；（2）對空心板之間鉸縫進行加強，橋面上部分將鉸縫破損部分鑿除灌注環(huán)氧砼，橋底下面對空心板拼縫進行灌注環(huán)氧砼封閉，增強橋梁橫向整體受力能力；（3）優(yōu)化碳纖維加固方案，僅在車行道范圍內(nèi)增加碳纖維，以提高空心板承載能力，對空心板上的縱向裂縫進行灌注處理。
3.3加固施工方法
舊橋加固過程既有加載過程，也有卸載過程。根據(jù)不同加固部位和工序，加卸載過程也不同，舊橋加固過程存在受力變化。為了達到該橋加固目的，提升橋梁承載能力，該橋加固施工是在封閉橋上交通條件下進行的。
該橋加固施工順序如下：鑿除橋面鋪裝、清除綠化帶及過厚土層→空心板底部裂縫處理→橋底空心板拼縫環(huán)氧砼灌注封閉→粘貼碳纖維、全橋耐久性涂裝施工→橋面鉸縫處理、橋面鋪裝施工→更換伸縮縫→防拋網(wǎng)、人行道、抗滑層施工→橋梁荷載試驗→驗收通車。
3.4加固后舊橋承載力情況
按照加固設(shè)計圖施工和施工順序完成之后，對該橋進行了荷載試驗，檢測結(jié)果反映，該橋通過加固改造之后，結(jié)構(gòu)承載力得到了大幅度提高，超過新建時候的承載能力，橫向分布系數(shù)達到設(shè)計標準，各項檢測指標滿足設(shè)計荷載要求。
4、結(jié)論
舊橋檢測、評估、設(shè)計、施工應(yīng)該圍繞舊橋承載力為主線，根據(jù)舊橋承載力發(fā)展不同階段和交通變化情況制定相應(yīng)的養(yǎng)管措施，建立舊橋承載力發(fā)展變化趨勢信息庫，從而適時掌握舊橋健康狀況，確保舊橋安全運營。本文引用的加固示例說明，舊橋承載力的一些力學(xué)指標通過加固技術(shù)措施是可以超過新建時候的水平，滿足交通增長需求，實現(xiàn)更大的社會效益。
