橫向鋼梁法和橫向預(yù)應(yīng)力法加固空心板梁橋?qū)嵗治?/h1>
2017-10-10 07:27:20張瑞斌
山西交通科技 2017年6期
張瑞斌
（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）
我國在20世紀(jì)修建了大量的中小跨徑橋梁，而空心板梁橋在中小跨徑橋梁中占據(jù)了相當(dāng)大的比重。早期建成的一些空心板梁橋，由于長期環(huán)境及車輛荷載的作用，出現(xiàn)了大量的病害缺陷及承載能力不足的情況，使得這些橋梁不能夠正常運營甚至危及行車安全[1]，因此，空心板梁橋加固技術(shù)的研究和探索具有很大的現(xiàn)實意義。目前空心板梁橋橋梁加固技術(shù)也正朝著輕型、快速、不中斷交通的目標(biāo)進(jìn)展。我國在空心板加固技術(shù)方面的研究已取得許多成績。我國現(xiàn)已形成相對完善的加固技術(shù)體系，于2008年發(fā)行了國家標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22—2008）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T J23—2008）兩本規(guī)范，規(guī)范中總結(jié)了幾種常見的加固方法和施工工藝：增大截面法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維法、體外預(yù)應(yīng)力法等。對于空心板梁橋來說，目前常用的加固方法有：化學(xué)灌漿加固法、增加橫向聯(lián)系、減梁增肋法、橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法、剪力鋼筋加固法等。本文以某空心板梁橋加固項目為工程實例，開展對目前的兩種較為實用的空心板梁橋加固技術(shù)：橫向鋼梁法、橫向預(yù)應(yīng)力法的應(yīng)用研究[2]。從加固設(shè)計原理、施工工藝以及加固效果等方面進(jìn)行分析對比研究，以期優(yōu)選出適用于空心板梁橋的合理的加固方法，提高其承載能力。
1 工程概況
某主跨20 m的預(yù)應(yīng)力空心板梁橋建于1972年，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，單板寬度為0.9 m，梁高0.8 m。該橋為簡支結(jié)構(gòu)，橋面寬度為8.5 m。原橋設(shè)計荷載等級為汽車-20級、掛車-120。經(jīng)橋梁檢測人員現(xiàn)場勘查表明，該橋空心板板底出現(xiàn)多條橫縱向裂縫，并出現(xiàn)了鉸縫破損脫落、梁體多處混凝土剝落露筋等病害。采用Midas Civil 2015有限元計算軟件進(jìn)行承載力驗算，空間三維模型如圖1所示。
圖1 原橋有限元分析模型
將橫向分布系數(shù)最大的板的跨中截面作為控制截面，驗算其承載力[3]。計算分析表明，控制截面為1號板跨中，橫向分布系數(shù)為0.412。按汽車-20級、掛車-120汽車荷載進(jìn)行驗算，跨中彎矩計算結(jié)果如表1所示。
表1 原橋內(nèi)力計算結(jié)果 單位：kN·m
結(jié)果表明，由于原橋內(nèi)力組合值大于結(jié)構(gòu)抗力，表明原結(jié)構(gòu)目前承載能力不足，需要進(jìn)行加固改造，以保證正常使用，延長使用壽命。
2 加固方案設(shè)計
2.1 橫向鋼梁加固
2.1.1 方案設(shè)計
對空心板主梁利用粘錨鋼橫梁法進(jìn)行加固處理。這種加固方法能夠加強(qiáng)空心板之間的連接性，提高整體性和剛度，改善主梁的荷載橫向分布，從而達(dá)到加固增強(qiáng)的效果[4]。具體操作方式為：在跨中位置布設(shè)一片鋼橫梁，沿縱向從跨中位置起向兩端1 m處、2.5 m處、4.5 m處布設(shè)3片鋼橫梁。鋼橫梁采用2C型工字鋼，其截面尺寸為200 mm×75 mm×9/11 mm。鋼橫梁的位置如圖2所示[3]。
圖2 橫向鋼梁粘錨鋼梁示意圖（單位：cm）
2.1.2 有限元模型
常用有限元分析軟件Midas FEA對橫向鋼梁加固后的實橋進(jìn)行建模分析，模型如圖3所示。通過在鉸縫位置釋放梁端約束來考慮粘錨鋼梁與主梁的橫向聯(lián)系情形，加載位置是通過在底板單元網(wǎng)格布設(shè)板單元來實現(xiàn)的，將各板與鋼橫梁粘錨的位置定義為彈性連接，從而使得鋼梁與空心板為共同工作的整體[5]。
圖3 橫向鋼梁加固后模型截面圖
2.1.3 施工流程
橫向鋼梁法加固主要施工流程如圖4所示，需注意在直接粘錨鋼梁前應(yīng)將設(shè)計方案結(jié)合現(xiàn)場放樣確定施工具體位置，鑿除施工部位表面的砂漿，再對表面進(jìn)行清潔去灰。
2.2 橫向預(yù)應(yīng)力加固
2.2.1 方案設(shè)計
在空心板板底布設(shè)施加橫向預(yù)應(yīng)力，該技術(shù)對空心板鉸縫位置的混凝土和鋼筋的性能要求不高，具有加固施工便捷、適應(yīng)性強(qiáng)的特點。綜合考慮施工安全、預(yù)算等因素，用270級高強(qiáng)低松弛鋼絞線布設(shè)于空心板底并張拉預(yù)應(yīng)力，鋼絞線公稱直徑為15.2 mm，公稱面積為 A=139 mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，張拉控制力0.6fpk。拉應(yīng)力沿縱橋向具有遞減的特點，從而預(yù)應(yīng)力應(yīng)從跨中向兩端逐漸遞增。體外預(yù)應(yīng)力筋的布置情況如圖5所示，即跨中布設(shè)一根，距跨中1 m、2.5 m、4.5 m依次布設(shè)一根。預(yù)應(yīng)力錨具采用KM15型錨具，墊板尺寸為80 mm×80 mm×14 mm[6]。
圖5 橫向預(yù)應(yīng)力布設(shè)示意圖（單位：cm）
2.2.2 有限元模型
橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線與預(yù)應(yīng)力空心板連接采用彈性連接，有限元模型如圖6所示。在各片梁單元上加一層板厚為0.001 mm厚的板單元，作為加載部位，以便加載。
圖6 橫向預(yù)應(yīng)力加固仿真模擬
2.2.3 施工流程
橫向預(yù)應(yīng)力法加固空心板梁橋施工的工序如圖7所示。
圖7 橫向預(yù)應(yīng)力加固施工流程
3 加固效果分析對比
3.1 撓度分析
3.1.1 設(shè)計荷載作用下?lián)隙确治?/p>
加固施工完成后，在組合荷載作用下對空心板板底1/2L截面的撓度進(jìn)行分析，結(jié)果如表2和圖8所示。
表2 組合荷載作用下各板板底撓度值 mm
圖8 空心板底1/2L截面撓度分布圖
由圖8可知，該橋在加固前跨中撓度橫向分布較為離散，不均勻，在6號板處出現(xiàn)了比較明顯的撓度突變，這是原橋各板橫向連接不強(qiáng)，整體性差導(dǎo)致的。采用橫向鋼梁法和橫向預(yù)應(yīng)力法加固后，空心板板底跨中截面的下?lián)系玫矫黠@改善。同時，橫向預(yù)應(yīng)力法較橫向鋼梁法加固效果相對更佳，例如比較明顯的8號板為例，采用橫向鋼梁法加固后，其板底撓度由5.58 mm減小到4.83 mm，采用橫向預(yù)應(yīng)力法加固后能夠減小到4.51 mm。
撓度的橫向分布均勻性可一定程度上反映空心板梁橋橫向的整體性，從以上圖表中可知，加固后的空心板梁橋橫向分布得到改善，其中橫向預(yù)應(yīng)力法較橫向鋼梁法對橫向分布的改善稍明顯。
3.1.2 1號板加載作用下?lián)隙确治?/p>
加固前空心板梁橋的1號板具有最大的橫向分布系數(shù)，即橫向連接性能最差，故在1號板1/2L截面處施加一集中力，分析在集中力作用下的上述兩種技術(shù)的加固效果，分析結(jié)果如表3和圖9所示。
表3 1號板加載下各板板底撓度值 mm
圖9 1號板加載下各板底撓度分布圖
圖9表明，加固前的空心板主梁撓度橫向分布不均勻，在6號板1/2L截面處存在比較大的突變，原橋橫向連接性能不強(qiáng)。采用橫向鋼梁及橫向預(yù)應(yīng)力加固后，各空心板單板撓度得到減小。其中，橫向預(yù)應(yīng)力法加固后結(jié)構(gòu)撓度減小更為明顯，但二者對結(jié)構(gòu)撓度的改善效果比較接近。撓度曲線的平滑程度上，橫向預(yù)應(yīng)力法加固后撓度曲線更加平緩，即結(jié)構(gòu)整體性改善效果更佳。
3.2 應(yīng)力分析
3.2.1 1/2L截面各板間鉸縫下緣應(yīng)力
空心板板間縱向裂縫主要是由于鉸縫開裂引起的，鉸縫開裂還會引起空心板主體結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向開裂，從而出現(xiàn)單板受力情況。空心板板間的抗裂性能主要是由鉸縫底部的橫向應(yīng)力直接反應(yīng)的，表4為兩種加固方式加固前后鉸縫底部應(yīng)力峰值對比結(jié)果。
表4 鉸縫底緣應(yīng)力峰值對比 MPa
對比結(jié)果表明，橫向鋼梁法和橫向預(yù)應(yīng)力法加固空心板后，鉸縫底部拉應(yīng)力峰值得到降低，橫向預(yù)應(yīng)力加固后效果更佳，由加固前的拉應(yīng)力3.626 MPa調(diào)整為壓應(yīng)力2.668 MPa。從結(jié)構(gòu)橫向抗拉的角度來說，橫向預(yù)應(yīng)力法對原結(jié)構(gòu)改善更為明顯。
3.2.2 跨中各板板底應(yīng)力
表5為兩種加固方式加固前后各板板底拉應(yīng)力峰值對比結(jié)果。
表5 各板板底拉應(yīng)力峰值對比 MPa
對比結(jié)果表明，橫向鋼梁法和橫向預(yù)應(yīng)力法加固空心板后，板底拉應(yīng)力峰值都有較明顯減弱，底板應(yīng)力狀態(tài)由加固前的受拉狀態(tài)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，承載力得到顯著提高。從本橋分析來看，橫向鋼梁法對空心板板底縱向拉應(yīng)力的改善優(yōu)于橫向預(yù)應(yīng)力法。
4 結(jié)語
本文對某空心板梁橋進(jìn)行承載能力檢算，檢算結(jié)果表明其承載能力不足，從而分別采用橫向鋼梁法、橫向預(yù)應(yīng)力法對該橋進(jìn)行加固設(shè)計，然后對比分析在兩種加固技術(shù)加固后的主梁撓度、應(yīng)力。分析結(jié)果如下：
a）空心板梁橋在加固后承載能力得到提高。用兩種加固技術(shù)加固后，該病害橋梁的跨中撓度得到明顯降低。其中，橫向預(yù)應(yīng)力加固法在撓度改善上要優(yōu)于橫向鋼梁法。
b）對上部結(jié)構(gòu)加固后其橫向整體性得到增強(qiáng)，橫向預(yù)應(yīng)力法加固后撓度曲線更加平緩，即結(jié)構(gòu)整體性改善效果更佳。
c）空心板梁橋的鉸縫抗裂性能以及空心板縱向抗裂性能得到增強(qiáng)，兩種加固方法加固空心板后，板底拉應(yīng)力峰值都有較明顯減弱，承載力顯著提高。橫向鋼梁法和橫向預(yù)應(yīng)力法對縱向拉應(yīng)力的改善情況比較接近。
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張瑞斌
（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）
我國在20世紀(jì)修建了大量的中小跨徑橋梁，而空心板梁橋在中小跨徑橋梁中占據(jù)了相當(dāng)大的比重。早期建成的一些空心板梁橋，由于長期環(huán)境及車輛荷載的作用，出現(xiàn)了大量的病害缺陷及承載能力不足的情況，使得這些橋梁不能夠正常運營甚至危及行車安全[1]，因此，空心板梁橋加固技術(shù)的研究和探索具有很大的現(xiàn)實意義。目前空心板梁橋橋梁加固技術(shù)也正朝著輕型、快速、不中斷交通的目標(biāo)進(jìn)展。我國在空心板加固技術(shù)方面的研究已取得許多成績。我國現(xiàn)已形成相對完善的加固技術(shù)體系，于2008年發(fā)行了國家標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22—2008）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T J23—2008）兩本規(guī)范，規(guī)范中總結(jié)了幾種常見的加固方法和施工工藝：增大截面法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維法、體外預(yù)應(yīng)力法等。對于空心板梁橋來說，目前常用的加固方法有：化學(xué)灌漿加固法、增加橫向聯(lián)系、減梁增肋法、橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法、剪力鋼筋加固法等。本文以某空心板梁橋加固項目為工程實例，開展對目前的兩種較為實用的空心板梁橋加固技術(shù)：橫向鋼梁法、橫向預(yù)應(yīng)力法的應(yīng)用研究[2]。從加固設(shè)計原理、施工工藝以及加固效果等方面進(jìn)行分析對比研究，以期優(yōu)選出適用于空心板梁橋的合理的加固方法，提高其承載能力。
1 工程概況
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圖1 原橋有限元分析模型
將橫向分布系數(shù)最大的板的跨中截面作為控制截面，驗算其承載力[3]。計算分析表明，控制截面為1號板跨中，橫向分布系數(shù)為0.412。按汽車-20級、掛車-120汽車荷載進(jìn)行驗算，跨中彎矩計算結(jié)果如表1所示。
表1 原橋內(nèi)力計算結(jié)果 單位：kN·m
結(jié)果表明，由于原橋內(nèi)力組合值大于結(jié)構(gòu)抗力，表明原結(jié)構(gòu)目前承載能力不足，需要進(jìn)行加固改造，以保證正常使用，延長使用壽命。
2 加固方案設(shè)計
2.1 橫向鋼梁加固
2.1.1 方案設(shè)計
對空心板主梁利用粘錨鋼橫梁法進(jìn)行加固處理。這種加固方法能夠加強(qiáng)空心板之間的連接性，提高整體性和剛度，改善主梁的荷載橫向分布，從而達(dá)到加固增強(qiáng)的效果[4]。具體操作方式為：在跨中位置布設(shè)一片鋼橫梁，沿縱向從跨中位置起向兩端1 m處、2.5 m處、4.5 m處布設(shè)3片鋼橫梁。鋼橫梁采用2C型工字鋼，其截面尺寸為200 mm×75 mm×9/11 mm。鋼橫梁的位置如圖2所示[3]。
圖2 橫向鋼梁粘錨鋼梁示意圖（單位：cm）
2.1.2 有限元模型
常用有限元分析軟件Midas FEA對橫向鋼梁加固后的實橋進(jìn)行建模分析，模型如圖3所示。通過在鉸縫位置釋放梁端約束來考慮粘錨鋼梁與主梁的橫向聯(lián)系情形，加載位置是通過在底板單元網(wǎng)格布設(shè)板單元來實現(xiàn)的，將各板與鋼橫梁粘錨的位置定義為彈性連接，從而使得鋼梁與空心板為共同工作的整體[5]。
圖3 橫向鋼梁加固后模型截面圖
2.1.3 施工流程
橫向鋼梁法加固主要施工流程如圖4所示，需注意在直接粘錨鋼梁前應(yīng)將設(shè)計方案結(jié)合現(xiàn)場放樣確定施工具體位置，鑿除施工部位表面的砂漿，再對表面進(jìn)行清潔去灰。
2.2 橫向預(yù)應(yīng)力加固
2.2.1 方案設(shè)計
在空心板板底布設(shè)施加橫向預(yù)應(yīng)力，該技術(shù)對空心板鉸縫位置的混凝土和鋼筋的性能要求不高，具有加固施工便捷、適應(yīng)性強(qiáng)的特點。綜合考慮施工安全、預(yù)算等因素，用270級高強(qiáng)低松弛鋼絞線布設(shè)于空心板底并張拉預(yù)應(yīng)力，鋼絞線公稱直徑為15.2 mm，公稱面積為 A=139 mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，張拉控制力0.6fpk。拉應(yīng)力沿縱橋向具有遞減的特點，從而預(yù)應(yīng)力應(yīng)從跨中向兩端逐漸遞增。體外預(yù)應(yīng)力筋的布置情況如圖5所示，即跨中布設(shè)一根，距跨中1 m、2.5 m、4.5 m依次布設(shè)一根。預(yù)應(yīng)力錨具采用KM15型錨具，墊板尺寸為80 mm×80 mm×14 mm[6]。
圖5 橫向預(yù)應(yīng)力布設(shè)示意圖（單位：cm）
2.2.2 有限元模型
橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線與預(yù)應(yīng)力空心板連接采用彈性連接，有限元模型如圖6所示。在各片梁單元上加一層板厚為0.001 mm厚的板單元，作為加載部位，以便加載。
圖6 橫向預(yù)應(yīng)力加固仿真模擬
2.2.3 施工流程
橫向預(yù)應(yīng)力法加固空心板梁橋施工的工序如圖7所示。
圖7 橫向預(yù)應(yīng)力加固施工流程
3 加固效果分析對比
3.1 撓度分析
3.1.1 設(shè)計荷載作用下?lián)隙确治?/p>
加固施工完成后，在組合荷載作用下對空心板板底1/2L截面的撓度進(jìn)行分析，結(jié)果如表2和圖8所示。
表2 組合荷載作用下各板板底撓度值 mm
圖8 空心板底1/2L截面撓度分布圖
由圖8可知，該橋在加固前跨中撓度橫向分布較為離散，不均勻，在6號板處出現(xiàn)了比較明顯的撓度突變，這是原橋各板橫向連接不強(qiáng)，整體性差導(dǎo)致的。采用橫向鋼梁法和橫向預(yù)應(yīng)力法加固后，空心板板底跨中截面的下?lián)系玫矫黠@改善。同時，橫向預(yù)應(yīng)力法較橫向鋼梁法加固效果相對更佳，例如比較明顯的8號板為例，采用橫向鋼梁法加固后，其板底撓度由5.58 mm減小到4.83 mm，采用橫向預(yù)應(yīng)力法加固后能夠減小到4.51 mm。
撓度的橫向分布均勻性可一定程度上反映空心板梁橋橫向的整體性，從以上圖表中可知，加固后的空心板梁橋橫向分布得到改善，其中橫向預(yù)應(yīng)力法較橫向鋼梁法對橫向分布的改善稍明顯。
3.1.2 1號板加載作用下?lián)隙确治?/p>
加固前空心板梁橋的1號板具有最大的橫向分布系數(shù)，即橫向連接性能最差，故在1號板1/2L截面處施加一集中力，分析在集中力作用下的上述兩種技術(shù)的加固效果，分析結(jié)果如表3和圖9所示。
表3 1號板加載下各板板底撓度值 mm
圖9 1號板加載下各板底撓度分布圖
圖9表明，加固前的空心板主梁撓度橫向分布不均勻，在6號板1/2L截面處存在比較大的突變，原橋橫向連接性能不強(qiáng)。采用橫向鋼梁及橫向預(yù)應(yīng)力加固后，各空心板單板撓度得到減小。其中，橫向預(yù)應(yīng)力法加固后結(jié)構(gòu)撓度減小更為明顯，但二者對結(jié)構(gòu)撓度的改善效果比較接近。撓度曲線的平滑程度上，橫向預(yù)應(yīng)力法加固后撓度曲線更加平緩，即結(jié)構(gòu)整體性改善效果更佳。
3.2 應(yīng)力分析
3.2.1 1/2L截面各板間鉸縫下緣應(yīng)力
空心板板間縱向裂縫主要是由于鉸縫開裂引起的，鉸縫開裂還會引起空心板主體結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向開裂，從而出現(xiàn)單板受力情況。空心板板間的抗裂性能主要是由鉸縫底部的橫向應(yīng)力直接反應(yīng)的，表4為兩種加固方式加固前后鉸縫底部應(yīng)力峰值對比結(jié)果。
表4 鉸縫底緣應(yīng)力峰值對比 MPa
對比結(jié)果表明，橫向鋼梁法和橫向預(yù)應(yīng)力法加固空心板后，鉸縫底部拉應(yīng)力峰值得到降低，橫向預(yù)應(yīng)力加固后效果更佳，由加固前的拉應(yīng)力3.626 MPa調(diào)整為壓應(yīng)力2.668 MPa。從結(jié)構(gòu)橫向抗拉的角度來說，橫向預(yù)應(yīng)力法對原結(jié)構(gòu)改善更為明顯。
3.2.2 跨中各板板底應(yīng)力
表5為兩種加固方式加固前后各板板底拉應(yīng)力峰值對比結(jié)果。
表5 各板板底拉應(yīng)力峰值對比 MPa
對比結(jié)果表明，橫向鋼梁法和橫向預(yù)應(yīng)力法加固空心板后，板底拉應(yīng)力峰值都有較明顯減弱，底板應(yīng)力狀態(tài)由加固前的受拉狀態(tài)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，承載力得到顯著提高。從本橋分析來看，橫向鋼梁法對空心板板底縱向拉應(yīng)力的改善優(yōu)于橫向預(yù)應(yīng)力法。
4 結(jié)語
本文對某空心板梁橋進(jìn)行承載能力檢算，檢算結(jié)果表明其承載能力不足，從而分別采用橫向鋼梁法、橫向預(yù)應(yīng)力法對該橋進(jìn)行加固設(shè)計，然后對比分析在兩種加固技術(shù)加固后的主梁撓度、應(yīng)力。分析結(jié)果如下：
a）空心板梁橋在加固后承載能力得到提高。用兩種加固技術(shù)加固后，該病害橋梁的跨中撓度得到明顯降低。其中，橫向預(yù)應(yīng)力加固法在撓度改善上要優(yōu)于橫向鋼梁法。
b）對上部結(jié)構(gòu)加固后其橫向整體性得到增強(qiáng)，橫向預(yù)應(yīng)力法加固后撓度曲線更加平緩，即結(jié)構(gòu)整體性改善效果更佳。
c）空心板梁橋的鉸縫抗裂性能以及空心板縱向抗裂性能得到增強(qiáng)，兩種加固方法加固空心板后，板底拉應(yīng)力峰值都有較明顯減弱，承載力顯著提高。橫向鋼梁法和橫向預(yù)應(yīng)力法對縱向拉應(yīng)力的改善情況比較接近。
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