基于橋梁特殊檢測的鋼筋混凝土T 型梁橋加固改造

■陳 輝

（三明市公路養(yǎng)護中心明溪分中心，三明 365200）

0 引言

裝配式鋼筋混凝土T 型梁橋[1]由于具有預(yù)制方便、用材經(jīng)濟、易于工廠化和標準化生產(chǎn)施工等優(yōu)點，因而在我國公路系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用， 尤其在中小跨徑橋梁中應(yīng)用廣泛。但是隨著時間的增長和交通量的發(fā)展，早期設(shè)計建造的T 型梁橋普遍暴露出設(shè)計荷載偏低、結(jié)構(gòu)老化、承載能力不足等問題；部分橋梁長時間超負荷工作，給橋梁安全帶來了極大的風險[2]。 面對如此眾多的危橋舊橋，對其進行維修加固[3-4]，提高其承載能力和橋梁荷載等級，充分發(fā)揮其經(jīng)濟效益和社會效益， 確保道路交通正常運行和行車安全， 是擺在橋梁管養(yǎng)部門和維修加固部門面前的一道嚴峻課題。

裝配式簡支T 型梁橋?qū)儆陟o定結(jié)構(gòu)， 在荷載作用下產(chǎn)生的跨中彎矩和支點剪力依靠主梁承受。 提高抗彎和抗剪承載能力是對裝配式T 型梁橋進行加固的主要目的。常用的鋼筋混凝土簡支T 型梁橋加固方法[5-6]包括：增大截面法[7]、粘貼鋼板法[8]、粘貼纖維復(fù)合材料法[9]、體外預(yù)應(yīng)力法[10]等。 但是，不論哪一種加固方法，都需要對存在病害問題的橋梁結(jié)構(gòu)進行檢測和鑒定， 基于檢測結(jié)果對橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段的工作狀態(tài)做出科學的評估和判斷，幫助橋梁管理部門實行更加規(guī)范的維修、加固和改造方案，從而保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和正常使用。 這其中橋梁的特殊檢測[11]和承載能力評定[12]就是一種常用的鑒定方法。

本文以裝配式鋼筋混凝土T 型梁橋碧州大橋為背景，通過特殊檢測發(fā)現(xiàn)橋梁存在承載能力不足的問題；基于特殊檢測結(jié)果，采用增大截面法對大橋進行加固改造，并利用承載能力驗算的方式對橋梁加固效果進行評價。

1 工程概況

碧州大橋位于G534 線K404+938 處， 建成于1996年。原橋設(shè)計荷載為汽-20、掛-100。碧州大橋上部結(jié)構(gòu)采用5×20m 的裝配式鋼筋混凝土T 型梁橋，橋面連續(xù)。 主梁由5 片T 梁拼成，單片梁高1.5m，頂板寬2.3m，標準截面梁肋寬0.2m。 橋梁全長129m， 橋?qū)?1.5m=凈9m+2×1.25m 人行道。 下部結(jié)構(gòu)采用樁基接蓋梁橋臺，樁柱式橋墩，鉆孔灌注柱基礎(chǔ)。 橋梁立面布置如圖1 所示。

經(jīng)過近20 年的通車運行，特別是近年來交通量日漸增大，橋梁的實際運行荷載已漸漸超出設(shè)計荷載的要求。同時，橋梁管養(yǎng)部門在日常檢查中發(fā)現(xiàn)，碧州大橋存在較明顯的病害問題，主要表現(xiàn)為混凝土T 梁開裂、混凝土剝落和裸露鋼筋銹蝕。

橋梁管理部門組織檢測單位對碧州大橋進行了特殊檢測，橋梁檢測工作于2015 年完成。特殊檢測結(jié)果表明，橋梁技術(shù)狀況等級評定為4 類。 針對橋梁特殊檢測過程中發(fā)現(xiàn)的問題， 橋梁管理部門組織設(shè)計和施工單位于2016 年開始，對橋梁進行了加固和改造。 碧州大橋采用增大截面法進行加固，加固工作于2016 年12 月完成，并于2017 年初驗收通車。

圖1 碧州大橋立面布置（單位：cm）

2 特殊檢測結(jié)果

2015 年碧州大橋特殊檢測結(jié)果將橋梁的技術(shù)狀況等級評定為4 類，即“主要構(gòu)件有大的缺損，嚴重影響橋梁使用功能”。其中，發(fā)現(xiàn)的主要問題包括：外觀檢查發(fā)現(xiàn)主梁存在大量裂縫， 靜載試驗表明應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)最大值接近限值。 大量裂縫的出現(xiàn)和校驗系數(shù)接近限值的現(xiàn)象說明，碧州大橋可能存在承載能力不足的問題，大橋急需加固改造。

2.1 主梁裂縫

大橋上部主要承重構(gòu)件共發(fā)現(xiàn)2598 處裂縫， 其中1# 跨有645 條裂縫、2# 跨有512 條裂 縫、3# 跨有379 條裂縫、4# 跨有580 條裂縫、5# 跨有482 條裂縫。支點處共有276 條斜向裂縫，其余2322 條均為豎向裂縫，沿腹板從底緣往上緣開展。

根據(jù) 《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）表5.2.5 的規(guī)定，鋼筋混凝土梁橋主筋附近豎向裂縫寬度不得超過0.25mm。 碧州大橋1# 跨有60 條裂縫、2# 跨有39 條裂縫、3# 跨有15 條裂縫、4# 跨有46 條裂縫、5# 跨有26 條裂縫，全橋共有186 條裂縫的縫寬超過限值。

裂縫病害照片如圖2 所示。 其中，1# 跨1# 梁（即1#跨上游側(cè)第一片梁）的裂縫分布如圖3 所示。從圖示裂縫分布結(jié)果可以看出，T 梁腹板存在大量裂縫：跨中位置附近的裂縫以豎向的彎曲裂縫為主， 支點位置附近的裂縫以斜向的剪切裂縫為主。

圖2 碧州大橋主梁裂縫照片

圖3 1# 跨1# 梁裂縫分布圖

2.2 校驗系數(shù)接近限值

針對碧州大橋開展了靜載試驗。 試驗共分為4 個工況進行，分別對兩個橋跨（1# 跨和3# 跨）的跨中截面和支點截面進行靜載加載，靜載荷載偏心布置。跨中截面最不利彎矩工況的撓度和應(yīng)變測點布置如圖4 所示。

1# 跨和3# 跨跨中截面最不利彎矩工況試驗荷載作用下，L/4 截面、跨中截面和3L/4 截面的偏載側(cè)和非偏載側(cè)撓度實測值和理論值比較如圖5 所示。試驗結(jié)果表明：（1）各工況荷載作用下，主要控制截面應(yīng)變校驗系數(shù)最大值為0.95， 控制測點的應(yīng)變校驗系數(shù)最大值接近限值。（2）各工況荷載作用下，主要控制截面撓度校驗系數(shù)最大值為0.92，控制測點的撓度校驗系數(shù)最大值接近限值。

圖4 跨中截面工況測點布置（單位：cm）

圖5 各加載工況撓度實測值與理論值的比較

3 增大截面法加固改造

根據(jù)大橋橋梁特殊檢測所描述的病害情況， 初步確定了增大截面法加固、 粘貼鋼板加固和更換T 梁三種方案。 通過方案比選（見表1），決定采用后期養(yǎng)護難度相對較小且造價相對不高的增大T 梁截面的方案進行加固改造。 具體改造措施包括：（1）對T 梁裂縫進行封閉及注膠處理；（2）在梁肋下緣增大截面面積、增配鋼筋，對T 梁進行加固；（3）增設(shè)橋臺搭板，對橋面系和支座進行改造和更換等。

表1 碧州大橋加固方案比選

對T 梁采用增大截面法進行加固改造，主要措施為：首先在T 梁下緣的新舊混凝土結(jié)合面上植筋， 即在原結(jié)構(gòu)上鉆深12cm 的植筋孔， 灌入植筋膠后， 將直徑為12mm 的結(jié)合面聯(lián)結(jié)鋼筋插入孔中。 然后綁扎鋼筋并制作模板，確保鋼筋的尺寸和模板的強度。最后在梁肋下緣外包C40 自密實混凝土。 加固前后的T 梁跨中截面對比如圖6 所示， 加固前后的上部結(jié)構(gòu)橫斷面對比如圖7 所示。

圖6 加固前后跨中截面T 梁尺寸（單位：cm）

圖7 加固前后的上部結(jié)構(gòu)橫斷面對比（單位：cm）

4 加固效果評價

4.1 承載能力驗算

（1）增大截面新老混凝土抗剪驗算

計算得到新老混凝土抗剪承載力VR=1004kN， 最不利組合設(shè)計值γ0Vd=795kN。

抗剪承載力安全系數(shù)為

VR/(γ0Vd)=1.26

滿足規(guī)范要求。

（2）承載能力極限狀態(tài)正截面抗彎承載力驗算

T 梁跨中正截面抗彎承載力MR=5860kN·m， 該處彎矩最不利組合設(shè)計值γ0Md=3785kN·m。

加固后的T 梁跨中正截面抗彎承載力安全系數(shù)為MR/（γ0Md）=1.55

滿足規(guī)范要求。

（3）承載能力極限狀態(tài)斜截面抗剪承載力驗算

計算得T 梁距支座中心1/2 梁高處截面抗剪力承載力VR=1735kN， 該處剪力最不利組合設(shè)計值γ0Vd=915.3kN。

加固后的T 梁距支座中心1 /2 梁高處截面抗剪承載力安全系數(shù)為

VR/(γ0Vd)=1.90

滿足規(guī)范要求。

（4）使用階段裂縫寬度驗算

根據(jù) 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)第6.4.3 條要求，加固后，短期荷載作用下的T 梁梁肋底緣最大裂縫寬度計算得Wfk=0.11mm。

最大裂縫寬度小于0.2mm，滿足規(guī)范要求。

（5）使用階段的變形驗算

荷載短期效應(yīng)組合下， 消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后T 梁的最大撓度并考慮荷載長期效應(yīng)的影響的撓度：

fp=ηθ(fs-fG)=9mm

fp＜[f]=L/600=32.5mm

滿足 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)第6.5.3 條的要求：鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的長期撓度值， 在消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后梁式橋主梁的最大撓度不應(yīng)超過計算跨徑的1/600。

承載能力驗算結(jié)果表明， 采用增大截面法對T 梁下緣進行加固改造， 可以較好地保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和正常使用。

4.2 加固驗收和檢測結(jié)果

加固后的特殊檢測結(jié)果表明，碧州大橋經(jīng)過加固后，橋梁的剛度、強度、抗彎能力均有明顯提高，滿足設(shè)計荷載的承載力要求； 碧州大橋現(xiàn)階段總體技術(shù)狀況等級評定為2 類，橋梁技術(shù)狀況等級得到了提高。

根據(jù)明路安質(zhì)〔2017〕55 號文：三明市公路局《關(guān)于印發(fā)2016 年碧州大橋等7 座危橋加固改造工程交工驗收質(zhì)量檢測意見的通知》，碧州大橋危橋加固改造工程達到合格標準。

5 結(jié)論

（1）本文以碧州大橋為背景，特殊檢測將橋梁的技術(shù)狀況等級評定為4 類，即“主要構(gòu)件有大的缺損，嚴重影響橋梁使用功能”。 發(fā)現(xiàn)的主要問題包括：外觀檢查發(fā)現(xiàn)主梁存在大量裂縫、 靜載試驗表明應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)最大值接近限值。 大量裂縫的出現(xiàn)和校驗系數(shù)接近限值的現(xiàn)象，說明碧州大橋可能存在承載能力不足的問題，大橋急需加固改造。

（2）基于特殊檢測結(jié)果，采用增大截面法對大橋進行加固改造， 并利用承載能力驗算的方式對橋梁加固效果進行評價。 承載能力驗算結(jié)果表明，采用增大截面法對T梁下緣進行加固改造， 可以較好地保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和正常使用。加固后的特殊檢測結(jié)果表明，碧州大橋經(jīng)過加固后橋梁的剛度、強度、抗彎能力均有明顯提高，滿足設(shè)計荷載的承載力要求； 碧州大橋現(xiàn)階段總體技術(shù)狀況等級評定為2 類，橋梁技術(shù)狀況等級得到了提高。