大懸臂薄腹板箱梁橋二次加固設(shè)計(jì)分析

陳 航

(1.福建省交通科研院有限公司；2.福建省公路水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350004)

1 前言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁以其結(jié)構(gòu)剛度大、施工簡(jiǎn)便、后期養(yǎng)護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單而在中小跨徑橋梁中得到廣泛應(yīng)用。但由于施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的缺陷，如結(jié)構(gòu)尺寸施工偏差、鋼束預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大、 混凝土劣化及實(shí)際車(chē)輛荷載超限等，可能導(dǎo)致箱梁開(kāi)裂、下?lián)系炔『Α?/p>

針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋梁跨中下?lián)稀?底板及腹板開(kāi)裂、車(chē)致振動(dòng)明顯等問(wèn)題，許多學(xué)者開(kāi)展了大量研究，提出了外包混凝土、粘貼碳布、粘貼鋼板、增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力及改變體系加固等加固方法[1-7]。 但這些研究主要集中在未加固的橋梁上， 對(duì)于已加固橋梁進(jìn)行二次加固的研究卻很少。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，分析箱梁病害原因及前期加固存在的不足之處， 綜合考慮結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、 運(yùn)營(yíng)環(huán)境、工程造價(jià)等因素，提出腹板加厚并布設(shè)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的二次加固方案；并對(duì)加固前、后的橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，分析該橋二次加固的效果，為類(lèi)似橋梁的加固提供參考。

2 工程背景

2.1 橋梁概況

沈海高速漳州段某座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的橋跨布置為45.8m+3×50m+31.6m，橋長(zhǎng)235.4m，設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-超20 級(jí)、掛-120，建成于1997 年。該橋主梁采用單箱單室等截面斜腹板箱型截面，箱梁高2.8 m，箱梁頂寬12.5 m、底寬4.8m，頂板厚0.2m、跨中腹板厚0.32 m、跨中底板厚0.15 m，箱梁翼緣板懸臂寬3.55 m，如圖1 所示。由圖1 可以看出，該橋箱梁跨中頂板、底板、腹板均明顯小于常規(guī)同等跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁， 而兩側(cè)懸臂寬占總橋?qū)挶壤_(dá)57%，為典型大懸臂薄腹板箱梁截面。

圖1 箱梁跨中截面圖（單位：cm）

2.2 橋梁病害現(xiàn)狀

根據(jù)橋梁檢測(cè)報(bào)告，橋梁主要病害為：所有跨箱梁底板出現(xiàn)橫向裂縫，箱內(nèi)、箱外梁端腹板存在較多斜向裂縫及縱向裂縫，約三分之二裂縫寬度超限，部分腹板斜向裂縫為箱內(nèi)、外對(duì)稱(chēng)分布。 箱梁裂縫可分為以下四類(lèi)：

（1）箱外跨中底板橫向裂縫、腹板豎向裂縫。 最大縫寬0.43mm，主要分布于1/4～3/4 跨。

（2）箱內(nèi)外腹板斜向裂縫。 最大縫寬1.2mm，主要分布于支點(diǎn)附近；箱內(nèi)裂縫數(shù)量比箱外稍多，縫寬較大。

（3）箱內(nèi)外腹板縱向裂縫。 最大縫寬0.35mm，主要分布于L/4～3L/4 腹板中軸線(xiàn)以上；箱內(nèi)裂縫數(shù)量明顯多于箱外，縫寬較大。

（4）腹板頂施工縫。 最大縫寬4mm，位于腹板頂承托附近，全橋貫通，裂縫順橋向在箱內(nèi)外對(duì)稱(chēng)分布，箱內(nèi)縫寬大于箱外縫寬。

圖2 梁底橫向裂縫

圖3 腹板外側(cè)斜向裂縫

橋梁靜動(dòng)載試驗(yàn)表明：結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)均大于1，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)頻率小于理論頻率， 表明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度小于理論剛度，不滿(mǎn)足要求。

2.3 歷次檢測(cè)與加固分析

2006 年至今，多家設(shè)計(jì)單位基于橋梁檢測(cè)資料進(jìn)行病害處治加固。 2006 年和2009 年橋梁外觀(guān)檢測(cè)報(bào)告顯示該橋主要病害為箱梁底板存在橫向裂縫， 采取的處治措施為根據(jù)裂縫寬度不同， 進(jìn)行裂縫表面封閉和注膠封閉，并在底板通長(zhǎng)縱向粘貼兩層碳纖維布。 2013 年外觀(guān)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)箱梁裂縫繼續(xù)發(fā)展， 考慮多次進(jìn)行常規(guī)處治的效果不佳，處治方案暫定為封閉裂縫，并補(bǔ)充橋梁荷載試驗(yàn)，根據(jù)橋梁荷載試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)方案。 2014 年進(jìn)行的荷載試驗(yàn)顯示該橋不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)荷載的要求。 考慮本橋由于縱向抗彎剛度不足引起的箱梁底板橫向裂縫較多，采用的加固措施為箱梁內(nèi)部底板增大截面， 并增加預(yù)應(yīng)力鋼束，具體如圖4 所示。

圖4 2015 年箱內(nèi)底板加固示意圖

圖5 腹板頂施工縫

2015 年在增大截面加固施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)箱梁內(nèi)外腹板頂存在最大縫寬達(dá)4mm 的施工縫（如圖5 所示），腹板同時(shí)存在較多斜向和縱向裂縫。為此，暫停橋梁加固施工，進(jìn)一步細(xì)化橋梁檢測(cè)。檢測(cè)資料顯示該橋箱梁除外側(cè)存在各類(lèi)裂縫外，箱內(nèi)腹板裂縫也較多，腹板、底板厚度、鋼筋保護(hù)層厚度的合格率均較低， 該橋被評(píng)定為四類(lèi)危橋。 為保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)該橋進(jìn)行二次加固。

從上述檢測(cè)和加固歷史回顧可看出， 該橋歷經(jīng)多次維修與加固，但效果不佳。 其主要原因有以下幾方面：本橋施工質(zhì)量較差，尤其是腹板頂?shù)氖┕たp，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度下降；早期橋梁養(yǎng)護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)不足，未及時(shí)對(duì)橋梁的技術(shù)狀況進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，直到2006 年才開(kāi)始進(jìn)行檢測(cè)和維修；2015 年之前的檢測(cè)資料不全面， 僅進(jìn)行箱梁外觀(guān)檢測(cè)，未進(jìn)入箱梁內(nèi)部檢測(cè)，橋梁病害情況未詳實(shí)反映出來(lái)；進(jìn)行處治加固時(shí)，病害原因分析不夠全面，處治措施針對(duì)性不足。

3 箱梁加固方案

本橋病害嚴(yán)重，病害類(lèi)型較多，非單一的因素導(dǎo)致。綜合該橋箱梁病害特點(diǎn)，可看出該橋箱梁整體剛度較差、正截面抗彎和斜截面抗剪強(qiáng)度均不足，常規(guī)的處治措施，如封閉裂縫、 粘貼碳布或加強(qiáng)抗彎剛度的局部增大截面方案均無(wú)法根治橋梁病害，需要采取能全面、綜合治理的加固方案。

2015 年在未知箱內(nèi)病害的情況下，采用箱內(nèi)底板局部增大截面+體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束的加固方法， 如圖6 所示。盡管該加固方案能一定程度上提高結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力，但并沒(méi)有解決抗剪、腹板裂縫等病害，且增加了結(jié)構(gòu)自重，弊大于利，因此對(duì)其進(jìn)行拆除。

本次加固設(shè)計(jì)先拆除前期加固效果較差的加固結(jié)構(gòu)， 提出腹板外側(cè)增大截面并布設(shè)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的組合加固方案。該方案綜合被動(dòng)加固和主動(dòng)加固理念，可增加腹板厚度、減小箱梁懸臂長(zhǎng)度，有效提高箱梁豎向抗彎、斜向抗剪剛度，橫向抗扭剛度。 箱梁主要加固措施為：

（1）拆除2015 年箱梁跨中底板增大截面加固結(jié)構(gòu)；

（2）箱梁腹板除錨固段外均加厚18cm，錨固端加厚50cm；

（3）在腹板左右側(cè)新增截面內(nèi)布置3 根15Φs15.2 通長(zhǎng)鋼束；

（4）腹板與懸臂交界處，腹板適當(dāng)加厚，增設(shè)承托，減小懸臂長(zhǎng)度；

（5）采用注漿封閉腹板頂施工縫后，在施工縫位置增設(shè)30cm×30cm 混凝土倒角。

圖6 腹板增大截面及鋼束布置示意圖

4 加固效果分析

4.1 有限元計(jì)算分析

采用橋梁博士分別建立全橋結(jié)構(gòu)有限元縱向計(jì)算模型對(duì)比加固前后結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，以分析加固效果。計(jì)算模型參數(shù)取值原則：如有檢測(cè)實(shí)測(cè)值，取實(shí)測(cè)值，如無(wú)實(shí)測(cè)值，按原設(shè)計(jì)規(guī)范[8-9]取值。

加固前按橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行最不利工況組合下，縱向計(jì)算結(jié)果表明： 跨中下緣拉應(yīng)力和支點(diǎn)主拉應(yīng)力超過(guò)規(guī)范限值（2.67MPa），跨中抗彎支點(diǎn)、抗剪承載能力均不滿(mǎn)足規(guī)范要求，與箱梁底板橫向裂縫、腹板斜向裂縫病害情況吻合。 計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 有限元計(jì)算結(jié)果匯總

從表1 可以看出，加固后箱梁的縱向、橫向受力性能均得到明顯改善，截面上下緣應(yīng)力均在規(guī)范限值以?xún)?nèi)，抗彎承載能力、抗剪承載能力均有顯著提高，其中支點(diǎn)附近抗剪承載力提高32%。

4.2 實(shí)橋荷載試驗(yàn)評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證橋梁的加固效果，加固前、后分別對(duì)該橋進(jìn)行了靜、動(dòng)載試驗(yàn)。橋梁加固前、后的荷載試驗(yàn)加載工況、加載車(chē)重量、測(cè)點(diǎn)布置等均相同。 荷載試驗(yàn)主要結(jié)果如表2所示。

表2 荷載試驗(yàn)主要結(jié)果匯總

荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋加固前實(shí)測(cè)撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)大于1，各工況最大相對(duì)殘余撓度大于20%，均不滿(mǎn)足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）的規(guī)定。加固后，本橋跨中最大撓度、相對(duì)殘余撓度、沖擊系數(shù)、自振頻率等各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均有改善，尤其是撓度和沖擊系數(shù)指標(biāo)明顯提高；撓度、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)不大于1，各工況最大相對(duì)殘余撓度由26.7%降為6.8%，均滿(mǎn)足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）不大于20%的要求；沖擊系數(shù)降低、自振頻率提高說(shuō)明加固后橋梁整體剛度增大。靜動(dòng)荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋右幅滿(mǎn)足設(shè)計(jì)荷載汽車(chē)-超20，掛車(chē)-120 的正常使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某大懸臂薄腹板混凝土箱梁橋多次維修加固而病害未得到根治的問(wèn)題，本文回顧橋梁檢測(cè)與加固歷史，全面分析橋梁病害原因，提出有針對(duì)性的處治方案。綜合全文，得到以下主要結(jié)論：

（1）施工質(zhì)量能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，這直接關(guān)乎橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管控，尤其是主要受力構(gòu)件的施工質(zhì)量。

（2）橋梁病害調(diào)查與檢測(cè)應(yīng)全面、細(xì)致。 檢測(cè)資料要能反映出橋梁病害情況， 為維修加固設(shè)計(jì)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，如有條件，要進(jìn)行箱內(nèi)病害檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)際病害情況，進(jìn)行荷載試驗(yàn)，以評(píng)估橋梁實(shí)際承載力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（3）加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合橋梁檢測(cè)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)計(jì)算，綜合分析病害原因，提出標(biāo)本兼治的加固方案。

（4）本文采用外側(cè)腹板加厚并布設(shè)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束的加固方案，能減小箱梁懸臂長(zhǎng)度，提高結(jié)構(gòu)整體受力性能，有效處治預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁因結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪承載能力不足引起的病害， 可為同類(lèi)型橋梁的加固提供參考。