橋梁承載能力加固合理安全儲備研究

余 敏

（平利縣交通運輸局，陜西 安康 725599）

預制裝配式簡支變連續(xù)箱梁結構裝配化程度高，結構整體受力性能良好[1]，能夠很好地滿足高等級公路行車高速、平穩(wěn)、舒適的要求，在國內(nèi)外建設中應用廣泛。受到設計荷載標準隨規(guī)范的變化和提升[2]、建設年代條件所限、設計過于追求經(jīng)濟性、施工不規(guī)范或不當、車輛超載、結構材料的劣化以及養(yǎng)護不及時等多種原因，造成預制箱梁結構病害較突出，典型病害為底板橫向、縱向裂縫，腹板豎向、斜向及縱向裂縫，以及頂板縱向裂縫等大量病害，導致結構出現(xiàn)耐久性下降、承載能力不足、剛度降低等一系列問題[3]，直接影響結構安全。

目前的研究主要集中于加固方法[4]及其優(yōu)選[5]，同時溫樹林等[6]對在役橋梁加固經(jīng)濟性指標開展研究，但是對加固合理的安全儲備缺乏相應的研究。裝配式預應力混凝土箱梁的加固維修需要一般分為荷載等級提升需要、補充或保持一定承載能力安全儲備需要、結構抗裂性改善需要和結構剛度提高需要。而目前該部分的研究空白，不能有效指導橋梁加固工程。合理的安全儲備是進行加固方法優(yōu)選決策的前提，因此需深入研究結構加固合理安全儲備及設置策略。

1 承載能力評定檢測參數(shù)

橋梁加固前的承載評定按照JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》進行。

結構固有模態(tài)參數(shù)、構件表觀質(zhì)量狀況、混凝土強度等11個檢測參數(shù)共同確定既有橋梁的結構承載能力抗力。每個參數(shù)又分為1-5個標度（1標度代表參數(shù)完好，5標度代表該參數(shù)最差）進行評定。而檢測參數(shù)會隨著橋梁運營年限的增加而不斷惡化，標度升高，引起結構承載能力降低，導致結構承載能力不滿足相應荷載等級的要求。

2 承載能力合理安全儲備研究

對于待加固結構而言，加固程度并非越高越好，結構最終的承載能力理想狀況下應取決于原結構，過大的承載能力提升不但造成材料浪費，而且會對原結構局部受力造成不利影響。

橋梁結構加固前需按照規(guī)范進行承載能力評定，根據(jù)承載能力評定得到結構受力狀態(tài)，進而確定合理的加固方案。而加固后結構可能隨著時間的推移再次產(chǎn)生病害導致檢測參數(shù)的惡化，又需按照評定規(guī)程重新進行承載能力評定。因此本文研究思路是在加固設計階段即考慮后期運營階段承載能力評定相關檢測參數(shù)標度上升后結構仍然能滿足規(guī)范要求，以達到合理加固的目標，避免加固目標確定的盲目性。

2.1 承載能力評定檢測參數(shù)敏感性分析

影響結構承載能力抗力的檢測參數(shù)有11個，但是各參數(shù)對結構承載能力影響程度不同，因此進行檢測參數(shù)對結構承載評定的影響程度進行了研究。

通過廣泛調(diào)研了預制裝配式箱梁、T梁、空心板、實心板及現(xiàn)澆結構的承載能力評定情況，根據(jù)大量資料調(diào)研承載能力評定參數(shù)中，其中結構的缺損狀況、材料的強度、氯離子含量、沿鋼筋裂縫以及保護層厚度問題較突出，評定中的標度較高，因此對以上參數(shù)進行敏感性分析。以20 m裝配式預制箱梁為例，承載能力評定檢測參數(shù)敏感性分析如圖1所示。由圖可知，結構的缺損狀況和材料強度對結構的承載能力評定影響最顯著，而缺損狀況下降是實際結構存在的常見問題。

圖1 檢測參數(shù)的敏感性分析

在加固工程加固中以影響較大檢測參數(shù)標度上升為控制因素確定合理加固安全儲備，后期運營中即使相關檢測參數(shù)上升后結構承載能力仍然可以滿足規(guī)范的要求，使加固目標的確定有據(jù)可依。

2.2 承載能力安全儲備確定

以對承載能力影響較大同時也是實際工程中最易出現(xiàn)問題的缺損狀況和材質(zhì)狀況為基本參數(shù)，通過控制檢測參數(shù)下降后結構仍能滿足規(guī)范要求，達到控制合理的加固安全儲備的目的，對中小跨徑橋梁開展充分檢測分析，結果表明結構承載能力評定值為原承載能力的99%~87%，即承載能力降低了1%~13%（缺損狀況和材質(zhì)狀況一般均下降2個標度）。因此一般推薦結構加固承載能力儲備不小于13%。保證橋梁結構加固后結構經(jīng)過較長時間運營其檢測參數(shù)下降后結構仍然能滿足規(guī)范要求。

3 依托工程應用研究

3.1 依托工程簡介

某特大橋位于西安繞城高速南段，修建于2002年，全長3 245 m，中心樁號為K68+224，上部結構采用（40.19+8×40.34）m預應力混凝土簡支箱梁+13×（40.34+2×40.3+40.34）+[（40.34+40.3+32.15+32.19）（右半幅）（32.19+32.15+40.3+40.34）（左半幅）]+2×（30.24+3×30.2+30.24）m預應力混凝土連續(xù)箱梁+5×30.24 m預應力混凝土簡支箱梁+（30.24+4×30.2+30.14）m預應力混凝土連續(xù)箱梁；橋梁的設計荷載等級：汽車-超20，掛車-120級。

在2014-2015年度繞城高速公路長大橋梁檢測中發(fā)現(xiàn)，在橋梁連續(xù)梁橋跨結構中部分主梁腹板、翼板和底板出現(xiàn)了縱向裂縫；部分主梁出現(xiàn)了腹板豎向裂縫，少數(shù)主梁底板存在橫向裂縫，并與腹板裂縫貫通，呈U型分布；個別薄壁空心墩蓋梁也出現(xiàn)了超限的豎向裂縫；全橋局部混凝土出現(xiàn)破損露筋等病害，影響橋梁耐久性和安全性。

3.2 原橋承載力評定

采用通用有限元軟件建立結構有限元模型如圖2所示，各控制斷面承載能力極限狀態(tài)驗算見表1。另按部分預應力A類構件計算，主梁抗裂性滿足設計要求。

表1 承載能力極限狀態(tài)驗算 單位：kN·m或kN

圖2 結構計算模型

橋梁已運營10余年，原橋設計荷載等級為汽車-超20，掛-120級，受到重載通行、結構尺寸相對較保守、運營環(huán)境等因素的影響，導致結構出現(xiàn)了主梁豎向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫、橫向裂縫及濕接縫縱向裂縫、斜向裂縫。從檢測、荷載試驗結果及結構分析結論可知，主梁目前按照承載能力折減后計算結果已經(jīng)不能滿足原設計規(guī)范及現(xiàn)行設計規(guī)范的要求，亟待處置。

3.3 合理安全儲備確定

按照第2節(jié)中承載能力安全儲備控制的相關要求，針對目前結構實際受力狀態(tài)和結構驗算結果，確定了承載能力合理安全儲備大于13%。按照這一思路對該結構采用4種方案進行比選，分別是鋼板-混凝土組合加固、體外預應力加固、預應力碳纖維板加固及粘貼鋼板加固。對4種方案從特點、加固、效果、工藝、要求、對交通影響、工期等方面進行了綜合優(yōu)選。

根據(jù)結構優(yōu)選結果以及該橋規(guī)模較大各跨結構實際差異較大等特點，最終確定對于病害嚴重的箱梁所在聯(lián)采用鋼板-混凝土組合加固，對于其他主梁采用造價較低的體外預應力主動加固方案，加固后進行結構計算分析，結果見表2。加固后結構驗算結果均滿足規(guī)范要求，同時承載能力儲備均大于13%，能夠確保結構長期運營后滿足設計要求的目的，達到了加固合理安全儲備控制的要求。

表2 加固后承載能力極限狀態(tài)驗算 單位：kN·m或kN

3.4 體外預應力結構分析

采用有限元軟件對體外預應力加固箱梁錨固區(qū)進行安全驗算，錨固區(qū)結構尺寸、材料、體外束錨固位置、張拉力根據(jù)設計圖紙取值。錨固區(qū)應力如圖3所示。

圖3 體外預應力錨固區(qū)應力云圖

計算結果表明，錨固區(qū)域存在應力集中現(xiàn)象，局部拉應力值較大，最大值為3.65 MPa，位于錨固區(qū)后方0.5 m范圍內(nèi)，因此對錨固區(qū)進行了特殊設計，增加了加勁肋、T型抗剪構件及加強錨栓等構造，改善了局部受力，保證了結構安全。

3.5 加固效果驗證

為驗證加固效果，對加固前、后結構荷載試驗結果進行對比分析，為使加固前后荷載試驗結果具有對比性，加固后荷載試驗測試截面、加載模式、車輛重量及測點布置方案與加固前荷載試驗一致。加固前后荷載試驗理論計算采用上節(jié)有限元模型。

對該橋30 m簡支梁開展加固前后荷載試驗的對比分析，跨中截面加固前后變形和應變的理論值與實測值對比如圖4和圖5所示。加固后撓度及應變理論值明顯較小，且變形和應變的校驗系數(shù)顯著減小，達到了提升結構剛度和改善結構受力狀態(tài)的目的。

圖4 變形對比

圖5 加固前后應變對比

本橋加固后已經(jīng)安全運營6年，運營至5年時進行了承載能力評定，結構缺損狀況、沿鋼筋裂縫均上升了1個標度，承載能力評定值降低了約4%，但本橋安全儲備達到了21%，結構的承載能力仍然滿足規(guī)范要求并且有較高安全儲備，進一步驗證了本文成果的可靠性。

4 結束語

本文研究了基于評定規(guī)程的合理承載能力安全儲備，通過調(diào)研標度上升概率較大的檢測參數(shù)，分析其對承載能力影響的敏感性，以對承載能力影響較大同時也是實際工程中最易出現(xiàn)問題的缺損狀況和材質(zhì)狀況兩個參數(shù)為基礎建立了加固工程承載能力合理加固儲備控制方法，提出承載能力提升安全儲備不小于13%，確保結構長期運營檢測參數(shù)降低后結構仍然能滿足規(guī)范要求。

對依托工程進行了承載能力評定，確定了承載能力合理安全儲備，對病害嚴重的箱梁所在聯(lián)采用鋼板-混凝土組合加固。對加固橋梁進行了加固前后荷載試驗對比。結果表明該橋采用加固后，結構強度、剛度等指標均有一定幅度的提升并滿足規(guī)范要求，有效地控制了結構合理的安全儲備，同時加固后運營多年結果也進一步驗證了研究成果的可靠性。