橋梁加固設(shè)計(jì)淺析
2015-04-03
一、概述
近年來，我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)的使用荷載日益增大，大批既有橋梁結(jié)構(gòu)也進(jìn)入了老化期，數(shù)量龐大的老化期橋梁不可能全部拆除新建，因此橋梁檢測(cè)與加固也越發(fā)顯得格外重要。
橋梁結(jié)構(gòu)隨著使用時(shí)間的延續(xù)，受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的不當(dāng)、使用條件變化及環(huán)境侵蝕等因素的影響，都會(huì)使結(jié)構(gòu)受到不同程度的損傷，造成橋梁病害，使結(jié)構(gòu)性能退化，使用功能逐步降低乃至完全喪失。產(chǎn)生病害的主要因素如下：
1、設(shè)計(jì)考慮不周造成橋梁結(jié)構(gòu)原始性缺陷，如結(jié)構(gòu)型式不合理；斷面及鋼筋布置不合理；對(duì)一些特殊結(jié)構(gòu)如收縮徐變、溫度、水化熱及基礎(chǔ)變位等因素考慮不足。
2、施工質(zhì)量問題導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷，如原材料質(zhì)量不合格、混凝土澆筑不密實(shí)、混凝土澆筑順序不當(dāng)、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制不當(dāng)、預(yù)應(yīng)力孔道灌漿不飽滿、脫模時(shí)間控制不當(dāng)、混凝土接頭位置設(shè)置不合理等。
3、交通超載造成橋梁損傷。橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問題，超載會(huì)使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)一些超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。在解決汽車超載問題的同時(shí)，一些已受到嚴(yán)重影響的橋梁的加固問題也迫在眉睫。
橋梁在使用過程中材料的退化，產(chǎn)生橋梁病害，如混凝土的碳化及鋼筋的銹蝕。
橋梁加固的主要目的是恢復(fù)橋梁的使用功能、提高承載力、增強(qiáng)安全耐久性。橋梁加固就是通過一些有效的措施，使受損橋梁結(jié)構(gòu)恢復(fù)其原有的技術(shù)功能，以滿足新的承載條件和使用功能的要求。加固方案是加固設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，加固方案確定的主要內(nèi)容是根據(jù)舊橋的主要病害，在解決原橋病害的基礎(chǔ)上保持原橋的穩(wěn)定性和建筑的美觀性。
二、橋梁概況及主要病害
本項(xiàng)目橋跨越多股鐵路，有主橋和南、北引橋組成。設(shè)計(jì)荷載為汽-20，掛車-100。主橋上部結(jié)構(gòu)采用65.94+100+65.94m三孔變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。橫斷面采用單箱單室斷面，頂板寬度為12.5m，底板寬度為6.9m，翼緣板寬度為2.8m。箱梁中支點(diǎn)處梁高5.5m，跨中及合攏段梁高為2.3m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，主橋主要存在以下病害：
1、橋面鋪裝及伸縮縫：主橋多處橋面鋪裝損壞嚴(yán)重，存在開裂、破損等病害；橋梁伸縮縫存在局部破損、缺失等現(xiàn)象；橋面防撞墻存在開裂、破損露筋及銹蝕等病害。
2、箱梁外表面開裂：主橋混凝土箱梁開裂現(xiàn)象嚴(yán)重，檢測(cè)結(jié)果表明西幅橋主橋第3跨箱梁腹板處有兩條沿腹板向上約45度方向的斜裂縫。裂縫情況參見下圖：
3、箱梁內(nèi)表面開裂：2009年和2010年外觀檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)主橋箱梁內(nèi)部存在大量裂縫，箱梁內(nèi)部的裂縫存在以下特點(diǎn)：
①各跨箱梁腹板和頂?shù)装寰辛芽p。
?、谙淞焊拱辶芽p主要為斜向裂縫，越靠近跨中傾斜角度越小，在跨中4m范圍內(nèi)為豎向裂縫；箱梁頂板裂縫為順橋向裂縫，箱梁頂板裂縫主要集中在各幅橋箱梁中心線附近。
?、鄢龞|幅橋跨中少數(shù)裂縫有滲水現(xiàn)象外，其它各裂縫尚未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象。
通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，在試驗(yàn)荷載作用下主橋箱梁剪應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.79～0.86之間、跨中斷面及墩頂附近箱梁斷面的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.64～0.90之間、主橋撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.84～0.97之間，表明大成橋主橋抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)荷載要求。但主橋部分測(cè)點(diǎn)的撓度校驗(yàn)系數(shù)超過了0.90，表明主橋箱梁抗彎剛度富余量不多，建議盡快進(jìn)行修補(bǔ)加固。通過對(duì)原橋的計(jì)算復(fù)核，印證了上述的試驗(yàn)結(jié)果，本橋目前雖然按限載15T進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，但實(shí)際上長(zhǎng)期有大量超載重型車輛過橋，使本橋的工作性能進(jìn)一步惡化。
三、橋梁加固方案
根據(jù)上述病害，本橋的加固目標(biāo)是提高橋梁的抗彎和抗剪承載力，提高結(jié)構(gòu)剛度；改善箱梁腹板的主拉應(yīng)力狀況，避免開裂情況進(jìn)一步開展；增大箱梁的最小壓應(yīng)力儲(chǔ)備，增大安全儲(chǔ)備。橋梁結(jié)構(gòu)自重很大，而且一般均為帶載加固，原構(gòu)件自重及先期恒載產(chǎn)生的內(nèi)力由原構(gòu)件承擔(dān)，活載及后加恒載產(chǎn)生的內(nèi)力由加固后的組合截面承擔(dān)，加固設(shè)計(jì)計(jì)算必須考慮加固前后分階段受力的特點(diǎn)，因此應(yīng)在滿足加固目標(biāo)的條件下，盡可能減少加固荷載。
目前橋梁加固的方法很多，如增大截面法、粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維法、預(yù)應(yīng)力加固法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法等，單純的增大截面會(huì)增大加固荷載，降低加固效果。本橋剛度加固為主，強(qiáng)度加固為輔，采用粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維加固，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度提高不大。預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)施工方便，經(jīng)濟(jì)可靠，能有效地提高現(xiàn)有橋梁的承載力，改善結(jié)構(gòu)使用性能，是一種主動(dòng)加固的有效方法。針對(duì)本橋?qū)嶋H情況，經(jīng)反復(fù)論證采用適當(dāng)增大截面提高結(jié)構(gòu)剛度，結(jié)合預(yù)應(yīng)力主動(dòng)加固的設(shè)計(jì)方案。
經(jīng)過多次模擬分析，確定預(yù)應(yīng)力鋼束配置方案。為提高結(jié)構(gòu)剛度，抑制運(yùn)營(yíng)階段腹板裂縫的發(fā)展，在箱梁腹板內(nèi)側(cè)澆筑25cm厚C50微膨脹混凝土，同時(shí)在中跨和邊跨的每道后澆混凝土中設(shè)置2束22φs15.2mm的高強(qiáng)度低松弛鍍鋅鋼絞線，通過合理布置鋼束線形，提高正截面抗彎和斜截面抗剪能力。所有腹板鋼束采用鉆孔方式通過主墩橫梁，并交叉錨固在主墩橫梁的兩側(cè)斜錨塊上。
為改善底板的受力狀態(tài)，在底板上增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力。體外預(yù)應(yīng)力加固是通過增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力索(包括鋼絞線、高強(qiáng)鋼絲束和精扎螺紋鋼筋) 對(duì)既有混凝土構(gòu)件主動(dòng)施加外力，以改善原結(jié)構(gòu)的受力狀況的加固方法。本橋在中跨箱梁底板頂面設(shè)置10束22φs15.2mm的高強(qiáng)度低松弛鍍鋅鋼絞線；邊跨箱梁底板頂面設(shè)置2束22φs15.2mm的高強(qiáng)度低松弛鍍鋅鋼絞線，體外預(yù)應(yīng)力束沿底板頂面平行設(shè)置，錨固于混凝土齒板上。通過在底板頂面設(shè)置體外鋼束，可以在不大幅度增加恒載的基礎(chǔ)上，達(dá)到改善橋梁受力狀態(tài)的效果。
四、結(jié)語
1、本橋通過加固改造后，經(jīng)近2年的運(yùn)營(yíng)，使用狀況良好，未見新的病害，說明通過適當(dāng)增加加固荷載提高結(jié)構(gòu)剛度，配合預(yù)應(yīng)力主動(dòng)加固的設(shè)計(jì)方案，對(duì)本橋的病害是完全合適的。
2、橋梁加固必須考慮分階段受力特點(diǎn)，加固計(jì)算中應(yīng)充分模擬分階段受力對(duì)構(gòu)件計(jì)算結(jié)果的影響。
3、加固前應(yīng)盡可能卸載，通過預(yù)應(yīng)力加固的方法，主動(dòng)調(diào)整橋梁的受力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能。
4、體外預(yù)應(yīng)力加固的方法在恒載增加很少的情況下，能夠較大的提高承重結(jié)構(gòu)的剛度和抗裂性能，且對(duì)墩臺(tái)基礎(chǔ)受力的影響較小，能夠取得較好的加固效果，但需要注意體外索要具有可更換性和很好的防腐性；與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束比較，體外束的預(yù)應(yīng)力損失要小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)體外束的有效應(yīng)力進(jìn)行很好的控制，避免鋼束處于長(zhǎng)期的高應(yīng)力工作狀態(tài)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張樹仁. 從被動(dòng)加固到主動(dòng)加固的思考
[2] 公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范
