某連續(xù)箱梁橋的加固方案及其效果探討

劉星友

（湖南省洪江市公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心,湖南 懷化 418100）

0 引言

目前，由于交通量、載重量的持續(xù)增大，使得大部分早期橋梁產(chǎn)生跨中下?lián)线^(guò)大、梁體開(kāi)裂等質(zhì)量病害，嚴(yán)重威脅使用安全，亟須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固[1]。橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中導(dǎo)致其質(zhì)量病害的因素較多，因此在進(jìn)行加固前應(yīng)結(jié)合病害具體成因?qū)嵤┚唧w分析，以制定切實(shí)有效的加固方案[2]。該文結(jié)合某橋梁工程運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，針對(duì)其加固方案及加固效果進(jìn)行探究，為提高橋梁結(jié)構(gòu)安全性，保證交通運(yùn)輸安全具有重要意義。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋加固方案現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋普遍存在跨中下?lián)线^(guò)大、箱梁開(kāi)裂等質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)承載性能，威脅使用安全，得到了業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。各國(guó)業(yè)界專業(yè)人士從不同層面對(duì)相關(guān)質(zhì)量缺陷進(jìn)行了大規(guī)模研究。目前針對(duì)橋梁質(zhì)量缺陷的研究?jī)?nèi)容具體包含以下幾個(gè)方面：①原始設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化；②完善箱梁結(jié)構(gòu)形式；③精確計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失；④全面考慮混凝土收縮徐變、溫度效應(yīng)、箱梁空間效應(yīng)等；⑤超載效應(yīng)計(jì)算；⑥優(yōu)化計(jì)算模型，提升計(jì)算準(zhǔn)確性；⑦施工方法及質(zhì)量管控。

當(dāng)前針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷成因分析理論還處于初級(jí)階段，混凝土結(jié)構(gòu)抗剪性能研究，主要集中在承載力方面，未考慮剪切變形的作用。同時(shí)，混凝土收縮徐變影響因素較多，是混凝土特性中最難控制的方面。通過(guò)借鑒以往相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，大部分研究模型是采取輸入特定參數(shù)形式而建立，存在較大的局限性，得到的結(jié)論有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

總之，造成變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋質(zhì)量缺陷的因素繁多，各種質(zhì)量缺陷是橋梁發(fā)展最大的阻礙因素，需不斷優(yōu)化和完善設(shè)計(jì)方案，確保橋梁工程建設(shè)質(zhì)量。為此，通過(guò)病害形成機(jī)理分析，能夠使我們更加全面地了解病害形式，反思設(shè)計(jì)方面存在的缺陷，以便在施工階段對(duì)質(zhì)量缺陷實(shí)施預(yù)防，避免病害形成[3]。此外，還能根據(jù)橋梁服役過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量病害，制定出切實(shí)可行的補(bǔ)強(qiáng)措施，全面提升結(jié)構(gòu)承載性能，確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全。

2 工程概況

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)

某橋梁加固工程的橋型為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋跨組合為（45+75+75+45）m，主跨橋長(zhǎng)240 m，寬25 m，單幅橋面寬度為11.5 m，兩幅相距2 m，橋面左右兩側(cè)邊緣為防撞護(hù)欄，高度1.1 m。橋面采用雙向六車道布置，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，橫向坡度為2%。主梁為單箱單室變截面連續(xù)箱梁，支座位置梁體高度為4.8 m，厚度0.7 m，跨中位置高度為2.2 m，厚度0.25 m，底板寬度為5.8 m，厚度0.3 m。橋梁下部結(jié)構(gòu)為薄壁柔性墩+樁徑為0.5 m鉆孔樁，樁體間距1.5 m。

2.2 病害分析

該橋梁至今已服役7年，通過(guò)質(zhì)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在諸多質(zhì)量缺陷，具體包括：①箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大；②橋面鋪裝層大規(guī)模破損；③箱梁頂板、腹板、底板產(chǎn)生開(kāi)裂，且有些裂縫已貫穿狀態(tài)，縫寬超過(guò)0.5 mm；④箱梁跨中部位下?lián)线^(guò)大。根據(jù)設(shè)計(jì)信息及檢測(cè)結(jié)果分析，確定導(dǎo)致該橋產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的原因在于交通量、載重量的增加，使得橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，原設(shè)計(jì)方案未充分考慮混凝土收縮徐變及溫度作用。

2.3 加固方案

為確保橋梁結(jié)構(gòu)滿足使用要求，并綜合考慮安全性、可行性、高效性等各方面因素，確定采取更換鋪裝層、增加體外預(yù)應(yīng)力鋼束、修補(bǔ)裂縫等方式對(duì)橋梁實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)加固，以增強(qiáng)其承載性能。詳細(xì)方案如下：

（1）在箱梁內(nèi)部設(shè)置體外縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，其中邊跨、中跨位置鋼束規(guī)格分別為12φs15.2 mm和19φs15.2mm，其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度、張拉控制應(yīng)力分別1 860 MPa和0.6倍標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度。鋼束布置圖如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力鋼束增設(shè)位置（cm）

（2）根據(jù)箱梁裂縫寬度采取不同的修補(bǔ)方式，當(dāng)縫寬超過(guò)0.15 mm時(shí)，采取注膠修復(fù)處理；當(dāng)縫寬小于0.15 mm時(shí)，可采用涂刷樹(shù)脂膠進(jìn)行修復(fù)，并在箱梁合龍部位增設(shè)鋼板條進(jìn)行加固[4]。

（3）將橋面原始鋪裝層徹底清理干凈，在1#～3#主墩頂部分別設(shè)置長(zhǎng)度不小于10 m的縱向鋼筋網(wǎng)，并加鋪9 cm厚瀝青混凝土。

3 建立分析模型

結(jié)合原始設(shè)計(jì)資料，采用Midas Cilvi系統(tǒng)構(gòu)建全橋有限元分析模型，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)加固前后混凝土應(yīng)變和撓度變化實(shí)施數(shù)值模擬分析。模擬分析時(shí)假定鋼筋與混凝土接觸性能優(yōu)良，忽略二者間的產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)；將鋼板看作性能優(yōu)良的彈性材料，假定鋼筋理想塑性，忽略膠層作用。箱梁、橋墩通過(guò)梁模塊進(jìn)行模擬，共計(jì)206各模塊、278各節(jié)點(diǎn)，具體如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型

加載方式采用偏心和對(duì)稱加載2種形式，以6輛重型貨車進(jìn)行模擬加載，總荷載約350 kN。分別選擇左、右幅橋梁跨中部位作為計(jì)算截面，并對(duì)加固處理前后箱梁1#～20#測(cè)點(diǎn)位置的混凝土應(yīng)變和箱梁頂板Ⅰ～Ⅹ號(hào)測(cè)點(diǎn)位置的撓度實(shí)施模擬分析。其測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3所示。

圖3 加載方式及測(cè)點(diǎn)位置示意圖（左幅橋梁）

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 對(duì)稱加載加固效果分析

利用Midas Cilvi系統(tǒng)構(gòu)建對(duì)稱荷載作用下橋梁有限元分析模型，對(duì)加固效果實(shí)施綜合分析。

4.1.1 混凝土應(yīng)變

通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)稱荷載作用下，左幅橋跨中位置處，所有測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變明顯高于右幅，充分表明左幅橋承載性能較差，右幅橋承載力較高。加固前后左幅橋梁跨中部位1#～10#測(cè)點(diǎn)處的混凝土應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

圖4 左幅跨中截面1#～10#測(cè)點(diǎn)的混凝土應(yīng)變

通過(guò)圖4能夠看出：通過(guò)上述修復(fù)方案對(duì)該橋梁實(shí)施加固處理后，對(duì)稱荷載作用下，左幅橋跨中位置所有測(cè)點(diǎn)處的混凝土應(yīng)變均有所降低。1#～10#測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變依次降低22.3%、22.1%、23.5%、22.7%、21.8%、7.1%、13.9%、17.4%、18.1%和7.6%，充分表明此方案能有效控制箱梁結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)變，顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，保證運(yùn)營(yíng)安全。

4.1.2 結(jié)構(gòu)撓度

通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)稱荷載作用下，左幅橋跨中部位下?lián)陷^大，右幅橋下?lián)舷鄬?duì)較小，充分表明左幅橋形變量高于右幅形變量，損壞較為嚴(yán)重。經(jīng)加固處理后左幅橋跨中部位Ⅰ～Ⅴ號(hào)測(cè)點(diǎn)撓度變化如圖5所示。

通過(guò)圖5能夠看出：通過(guò)上述修復(fù)方案對(duì)該橋梁實(shí)施加固處理后，對(duì)稱荷載作用下，左幅橋跨中位置Ⅰ～Ⅴ號(hào)測(cè)點(diǎn)處的撓度大幅度降低。降幅依次為21.5%、19.3%、22.5%、26.5%和23.6%，充分表明此維修方案能有效控制箱梁底部下?lián)显黾樱岣邩蛄簞偠龋s束橋梁結(jié)構(gòu)變形。

圖5 左幅跨中截面Ⅰ～Ⅴ號(hào)測(cè)點(diǎn)撓度變化

4.2 偏心加載加固效果分析

利用Midas Cilvi系統(tǒng)構(gòu)建偏心荷載作用下橋梁有限元分析模型，對(duì)加固效果實(shí)施綜合分析[5]。

4.2.1 混凝土應(yīng)變

通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，施加偏心荷載狀況下，左幅橋和右幅橋跨中部位所有測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中左幅橋跨中部位1#～10#測(cè)點(diǎn)混凝土應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 左幅跨中截面1#～10#測(cè)點(diǎn)的混凝土應(yīng)變

通過(guò)圖6能夠看出：偏心荷載作用下，維修加固前后左幅橋跨中位置最大混凝土應(yīng)變依次為96 με和70 με，降幅達(dá)27.1%，表明偏心荷載作用下，此加固方案能顯著降低箱梁混凝土應(yīng)變，提高橋梁整體結(jié)構(gòu)性能。

4.2.2 結(jié)構(gòu)撓度

通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，施加偏心荷載狀況下，左幅橋和右幅橋跨中部位所有測(cè)點(diǎn)撓度均有所下降。其中左幅橋跨中部位Ⅰ～Ⅴ號(hào)測(cè)點(diǎn)撓度變化如圖7所示。

通過(guò)圖7能夠看出：偏心荷載作用下，維修加固前后左幅橋跨中位置撓度最大值分別為50.7 mm和37.6 mm，降幅達(dá)25.8%，表明偏心荷載作用下，該維修方案能有效控制箱梁底部下?lián)显黾樱岣邩蛄簞偠龋s束橋梁結(jié)構(gòu)變形。

圖7 左幅跨中截面Ⅰ～Ⅴ號(hào)測(cè)點(diǎn)的撓度變化

5 結(jié)論

綜上所述，該文結(jié)合某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，分析病害具體成因，采取更換鋪裝層、增加體外預(yù)應(yīng)力鋼束、修補(bǔ)裂縫等方式對(duì)橋梁實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)加固。結(jié)合原始設(shè)計(jì)資料，采用Midas Cilvi系統(tǒng)構(gòu)建全橋有限元分析模型，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)加固前后混凝土應(yīng)變、撓度變化實(shí)施數(shù)值模擬。其主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)稱和偏心荷載作用下，左幅橋梁產(chǎn)生的混凝土應(yīng)變及撓度均顯著高于右幅，表明左幅橋梁產(chǎn)生的質(zhì)量病害較為嚴(yán)重，右幅病害相對(duì)較輕。

（2）經(jīng)加固處理后，左幅橋梁在對(duì)稱荷載作用下，其混凝土應(yīng)變及撓度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降幅分別為7.1%～23.5%、19.3%～26.5%；偏心荷載作用下，混凝土應(yīng)變及撓度分別降低了27.1%和25.8%。結(jié)果表明，此加固方案在2種荷載作用下，可有效控制橋梁結(jié)構(gòu)變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。