預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁病害分析與加固設(shè)計研究

楊永杰，趙曉晉

（1.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原 030032）

1 工程概況

山西省內(nèi)某省道上的一座橋，橋梁全長216.12 m，跨徑組成為3×30 m+4×30 m，橫向布置為0.5 m（護(hù)欄）＋11.0 m（行車道）＋0.5 m（護(hù)欄），橋面全寬12.0 m，橋面凈寬11.0 m。設(shè)計荷載為汽車-20級、掛車-100級。上部結(jié)構(gòu)采用30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁，橋面為8 cm 40號防水混凝土鋪裝，左、右側(cè)設(shè)置防撞護(hù)欄。下部結(jié)構(gòu)為柱式及薄壁式墩，耳墻式臺，嵌巖樁基礎(chǔ)。由于橋梁構(gòu)件繁多，為了更好地梳理和標(biāo)明橋梁病害具體位置，按照統(tǒng)一方向?qū)蛄哼M(jìn)行編號。從橋臺往跨中方向，橋臺和橋墩編號依次為0號、1號、2號和3號等；按照橋梁橫向從左向右，對箱梁和支座編號為1號、2號和3號等；對橫隔板編號為1號-2號梁間1號橫隔板、2號-3號梁間2號橫隔板等；對濕接縫編號為1號-2號梁間濕接縫和2號-3號梁間濕接縫等。如圖1～圖3所示。

圖1 橋梁全貌

圖2 橋梁立面圖（單位：cm）

圖3 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

2 橋梁荷載試驗評定

2.1 荷載試驗分析

采用橋梁空間分析軟件Midas Civil建立有限元分析模型[1]，模型如圖4所示，依據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)的活載內(nèi)力包絡(luò)圖和撓度包絡(luò)圖，確定結(jié)構(gòu)的最大剪力、最大正、負(fù)彎矩截面為控制截面。根據(jù)分析結(jié)果，選定橋梁測試截面為邊跨Ⅰ-Ⅰ截面、Ⅱ-Ⅱ截面、Ⅲ-Ⅲ截面、Ⅳ-Ⅳ截面，具體如圖5所示，分別對應(yīng)以下工況：

a）工況1 Ⅰ-Ⅰ截面最大剪力工況，中載。

b）工況2 Ⅱ-Ⅱ截面最大正彎矩（最大撓度）工況，中載。

c）工況3 Ⅱ-Ⅱ截面最大正彎矩（最大撓度）工況，偏載。

d）工況4 Ⅲ-Ⅲ截面最大負(fù)彎矩工況，中載。

e）工況5 Ⅳ-Ⅳ截面最大正彎矩（最大撓度）工況，中載。

f）工況6 Ⅳ-Ⅳ截面最大正彎矩（最大撓度）工況，偏載。

圖4 橋梁計算結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 橋梁荷載試驗加載截面示意圖

荷載試驗結(jié)果主要選取工況2～工況6進(jìn)行分析，由于該橋濕接縫破損嚴(yán)重，考慮其年久失修，橋面連續(xù)的受力效應(yīng)明顯減弱[2]，故在理論計算時，亦建立同等跨徑的簡支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。在試驗荷載作用下各個工況相應(yīng)控制截面應(yīng)變理論值與實測值，應(yīng)變理論值與實測值比較如圖6～圖10所示。

圖6 工況2Ⅱ－Ⅱ截面應(yīng)變理論值與實測值

圖7 工況3Ⅱ－Ⅱ截面應(yīng)變理論值與實測值

圖8 工況4Ⅲ-Ⅲ截面應(yīng)變理論值與實測值

圖9 工況5Ⅳ－Ⅳ截面應(yīng)變理論值與實測值

圖10 工況6Ⅳ－Ⅳ截面應(yīng)變理論值與實測值

試驗荷載作用下各工況撓度理論值和實測值如圖11～圖14所示。其中，表中撓度值均以向下為正。

圖11 工況2Ⅱ－Ⅱ截面主梁變形值

圖12 工況3Ⅱ－Ⅱ截面主梁變形值

圖13 工況5Ⅳ－Ⅳ截面主梁變形值

圖14 工況6Ⅳ－Ⅳ截面主梁變形值

通過以上應(yīng)力結(jié)果圖表可知，該橋在相當(dāng)于設(shè)計荷載效應(yīng)的車輛荷載作用下，各工況下的測點應(yīng)力實測結(jié)果遠(yuǎn)大于主梁設(shè)計的連續(xù)狀態(tài)計算結(jié)果，顯示出明顯的呈簡支梁狀態(tài)，與外觀檢測發(fā)現(xiàn)的主梁連續(xù)現(xiàn)澆段混凝土開裂嚴(yán)重病害一致。

由撓度結(jié)果圖表可知，該橋在相當(dāng)于設(shè)計荷載效應(yīng)的車輛荷載作用下，各工況下的測點撓度實測結(jié)果遠(yuǎn)大于主梁設(shè)計的連續(xù)狀態(tài)計算結(jié)果，顯示出明顯的呈簡支梁狀態(tài)，整座橋梁的剛度已不符合設(shè)計要求。

2.2 橋梁病害成因分析

橋梁病害生成于兩個階段。第一階段是由橋梁設(shè)計存在缺陷和施工技術(shù)不到位造成的橋梁病害；第二階段橋梁在建成投入使用后由于外界因素干擾導(dǎo)致箱梁病害產(chǎn)生[3]。通過橋梁病害的統(tǒng)計和描述，對實體項目病害進(jìn)行歸納分析如下：

由于橋梁長年失修且長期通行超載車輛，負(fù)彎矩區(qū)濕接縫失效，結(jié)構(gòu)形式發(fā)生改變，在未及時修復(fù)的情況下，橋梁處于高速貨運的主干線，外部荷載和雨水腐蝕對橋梁裂縫出現(xiàn)和進(jìn)一步發(fā)展起到促進(jìn)作用，結(jié)構(gòu)裂縫迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)連續(xù)失效為簡支狀態(tài)。

橋面板、底板與腹板孔洞是由于混凝土體制作時石子成堆、砂漿攪拌不均勻?qū)е聡?yán)重跑漿；混凝土保護(hù)層發(fā)生破壞、剝離或者保護(hù)層太薄等原因，鋼筋裸露于外部被雨水銹蝕后膨脹導(dǎo)致箱梁混凝土剝落[4]。

隨著橋梁服役年限增加，在橋梁的腹板和底板處生成了豎向裂縫或橫向裂縫，部分梁體結(jié)構(gòu)上的腹板和底板間形成了貫通裂縫。依據(jù)橋梁竣工材料和定期檢測報告，可以發(fā)現(xiàn)在除橋梁自身設(shè)計上存在結(jié)構(gòu)缺損外，混凝土堿性降低和鋼筋長期暴露被空氣等因素腐蝕也是降低橋梁承載力的原因；原橋梁底應(yīng)力儲備較低，偶然重載車輛的經(jīng)過，對結(jié)構(gòu)造成了損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力開裂；再有就是橋梁所在地區(qū)屬寒冷地區(qū)，氣溫變化非常劇烈[5]，早晚溫差在20℃以上，腹板受溫度變化影響產(chǎn)生了豎向裂縫。布滿橋身的裂縫破壞了橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，削弱了結(jié)構(gòu)剛度，甚至破壞了主梁截面閉合性，降低了橋梁結(jié)構(gòu)的抗扭和抗彎能力。

3 橋梁運營狀況下的承載力評定

依據(jù)中華人民共和國行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）與《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011），對破損箱梁橋的承載能力進(jìn)行檢測評定，依據(jù)檢測評定結(jié)果，對原橋在運營狀況下進(jìn)行承載力分析。

以設(shè)計資料為依據(jù)建立原橋設(shè)計狀態(tài)下的有限元計算模型。該小箱梁梁體混凝土設(shè)計強(qiáng)度為40號混凝土，實際強(qiáng)度根據(jù)材性試驗結(jié)果進(jìn)行修正。小箱梁梁底受力普通鋼筋為φ25，抗剪鋼筋為φ12。預(yù)應(yīng)力采用碳素鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 600 MPa，抗拉設(shè)計強(qiáng)度為1 200 MPa，彈性模量E=1.8×105MPa。一期恒載為梁體自重，二期恒載為10 cm防水混凝土以及護(hù)欄重量；活載等級為汽車-20級、掛車-100。

在設(shè)計狀態(tài)下，采用JTJ 023—85規(guī)范對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計復(fù)核，控制斷面取荷載組合中的最大值，其中Mj、Qj分別為計算彎矩、剪力組合值，Mu、Qu分別為小箱梁抗彎、抗剪承載能力值。各截面的承載力如表1、表2所示。

表1 連續(xù)梁承載能力極限狀態(tài)抗彎驗算 kN·m

表2 連續(xù)梁承載能力極限狀態(tài)斜截面抗剪驗算 kN

主要方法是在公路橋梁設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合舊橋的特點，引入橋梁檢算系數(shù)、耐久性惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)和活載修正系數(shù)分別對極限狀態(tài)方程中結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)和荷載效應(yīng)進(jìn)行修正，并通過比較以判定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力狀況。

橋梁構(gòu)件惡化狀況評定標(biāo)度E=2.6，則惡化系數(shù)ξe=0.094；混凝土截面折減系數(shù)ξc=0.94；鋼筋折減系數(shù)ξs=0.98。另外，依據(jù)《規(guī)程》中對承載能力檢算系數(shù)Z1由表3各項指標(biāo)確定。

表3 承載能力檢算系數(shù)檢測指標(biāo)權(quán)重值

D=∑αjDj=0.4×4+0.3×1+0.3×1=2.2，偏安全考慮，承載能力檢算系數(shù)不取大于1的系數(shù)，則取Z1=1。綜上作述，抗力效應(yīng)折減值為0.94×1×（1-0.098）=0.848。

表4 簡支梁承載能力驗算荷載極限狀態(tài)抗彎驗算

考慮結(jié)構(gòu)承載能力折減后，在原設(shè)計活荷載作用下，對目前橋梁狀態(tài)進(jìn)行驗算，其荷載組合如表4所示。

且目前結(jié)構(gòu)處于簡支梁狀態(tài)，故承載能力計算結(jié)果如表5、表6所示。

表5 簡支梁承載能力極限狀態(tài)抗彎驗算 kN·m

表6 簡支梁承載能力極限狀態(tài)斜截面抗剪驗算 kN

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程JTJ/T J21—2011》對承載能力進(jìn)行折減，原設(shè)計在目前使用狀態(tài)下承載能力極限狀態(tài)下已不滿足設(shè)計使用要求。

4 橋梁加固方案設(shè)計

由前文可知，橋梁已發(fā)生體系轉(zhuǎn)化，而負(fù)彎矩區(qū)不便增加預(yù)應(yīng)力，該橋需在簡支狀態(tài)下繼續(xù)工作，因此，需進(jìn)一步提高簡支結(jié)構(gòu)的承載能力。簡支結(jié)構(gòu)的跨中正彎矩現(xiàn)已超限，需提高跨中截面抗彎能力，目前較為成熟的工藝則為粘貼鋼板或碳纖維布[6]。以下對兩種方案進(jìn)行計算對比。

4.1 粘貼鋼板加固方案

由病害統(tǒng)計可知，該橋出現(xiàn)多處裂縫，且本橋主要產(chǎn)生了體系轉(zhuǎn)化，為增加主梁跨中的抗彎承載能力和支點處抗剪能力，在粘貼鋼板加固時分為兩部分，一是跨中的抗彎鋼板，位于跨中區(qū)域底部，鋼板寬與底板同寬，分布區(qū)間為15 m；二是抗剪鋼板，位于支點處附近區(qū)域，距支點1.5 m處開始向跨中方向分布6 m，與水平方向夾角45°，抗剪鋼板采用長1.4 m，寬0.1 m的鋼條，加固鋼板材質(zhì)選用Q345B級鋼。混凝土小箱梁加固示意圖見圖15。

圖15 橋梁粘貼鋼板加固示意圖

參考《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J23—2008）[7]，抗彎承載力計算如式（2）、式（3）：

由式（2）、式（3）可知，加固后橋梁結(jié)構(gòu)的承載力與加固鋼板的厚度參數(shù)密切相關(guān)，因此，由式（2）、式（3）試算粘貼鋼板由6～10 mm的橋梁結(jié)構(gòu)承載力。結(jié)果如表7所示。

表7 簡支梁承載能力極限狀態(tài)抗彎驗算 kN·m

由于跨中彎矩承載力不足，在粘貼鋼板后，截面抗彎矩值明顯提高，且鋼板越厚，加固效果越好。表7中最后一欄也對單片梁的加固成本做了估算，其中鋼材單價按5 000元/t進(jìn)行估算，可為加固方案提供參考依據(jù)。

4.2 粘貼碳纖維板加固方案

粘貼鋼板加固在邊跨正彎矩區(qū)段底板粘貼碳纖維板，加固長度為15 m。抗剪加固采用在小箱梁腹板上粘貼碳纖維板條，板條長1.4 m，寬0.1 m，與水平方向呈45°夾角，相鄰板條水平間距15 cm，粘貼區(qū)段為從兩端一倍梁高處向跨中方向6 m范圍，小箱梁兩側(cè)腹板均進(jìn)行加固，見圖16。

圖16 橋梁粘貼碳纖維布加固示意圖

參照《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22—2008），抗彎承載力計算如式（4）、式（5）：

由式（4）、式（5）可知，加固后橋梁結(jié)構(gòu)的承載力與加固碳纖維板的厚度參數(shù)密切相關(guān)，因此，由式（4）、式（5）試算粘貼碳纖維板由0.8～1.4 mm的橋梁結(jié)構(gòu)承載力。結(jié)果如表8所示。

表8 簡支梁承載能力極限狀態(tài)抗彎驗算 kN·m

由于跨中彎矩承載力不足，在粘貼碳纖維板后，截面抗彎矩值明顯提高，且碳纖維板越厚，加固效果越好。表8中最后一欄也對單片梁的加固成本做了估算，不同厚度的碳纖維板分別按300元/m、400元/m、500元/m和600元/m進(jìn)行估算，可為加固方案提供參考依據(jù)。

4.3 加固方案對比

橋梁比較了粘貼鋼板和粘貼碳纖維板兩種加固方式，兩種加固方式均是比較成熟的加固方式，但碳纖維板在操作上稍微復(fù)雜一點，施工工序區(qū)別并不太明顯。因此，圖17給出了兩種方式加固效果與造價的關(guān)系圖示。

圖17 單片箱梁加載效果與造價的關(guān)系圖

由圖17可知，不同的加固方式，對現(xiàn)役承載力的提高比例不一樣，而花費的造價也有區(qū)別。在花費相同造價時，粘貼碳纖維板的效果高于粘貼鋼板的效果。另外，碳纖維板對于裂縫封閉的效果更優(yōu)，針對裂縫較多的舊橋，推薦使用粘貼碳纖維板加固的方式。

5 結(jié)論

結(jié)合荷載試驗結(jié)果，對橋梁病害情況及其成因分析，剖析橋梁現(xiàn)狀，以《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》為依據(jù)，對橋梁剩余承載力進(jìn)行評估分析，綜合考慮橋梁現(xiàn)役荷載的實際情況。對于縱橋向聯(lián)系受損嚴(yán)重的連續(xù)小箱梁橋，其結(jié)構(gòu)體系已發(fā)生變化，為增加轉(zhuǎn)化后簡支梁結(jié)構(gòu)的承載力，選取了粘貼鋼板加固法和粘貼碳纖維板加固法對混凝土小箱梁進(jìn)行了加固驗算，并對加固效果、施工工藝和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對比；根據(jù)理論公式計算出了加固效果，結(jié)合施工難易程度以及經(jīng)濟(jì)效益的詳細(xì)對比，采用粘貼碳纖維板加固法性價比更有優(yōu)勢。