既有桥梁改造加固方案设计

2023-12-01陈红霞

江苏科技信息 2023年30期

陈红霞

(江苏纬信工程咨询有限公司,江苏南京 210014)

0 引言

随着我国交通行业的迅猛发展,既有桥梁的改造加固比例也日益增多。既有桥梁在运营过程中常见的主要病害表现为桥梁裂缝,这大幅降低了桥梁的寿命及使用性能,也影响了结构的安全性。为了有效延长桥梁的使用寿命,就需要对其采取加固措施进行改造,在加固前首先要明确现有桥梁的病害产生原因,然后才能科学地选择改造加固方法[1]。基于此,文章以组合箱梁为研究对象,探讨其改造加固的方案设计,以期为后续桥梁加固工程提供一些参考意见。

1 工程概况

以某30 m预应力混凝土组合箱梁桥为研究对象,桥跨布置为10 m×30 m,桥梁总长308 m,箱梁梁高1.5 m,结构先简支后连续。桥宽28 m,其横向布置为0.5 m护栏+12 m行车道+1 m护栏+1 m中分带+1 m护栏+12 m行车道+0.5 m护栏。下部结构桥墩采用柱式墩,桥墩墩柱直径为1.3 m,桩基直径为1.5 m,桥台采用柱式桥台,桩基直径1.2 m。

2 主要病害及原因分析

经过桥梁检测发现,该桥的主要病害表现为梁底裂缝[2],具体表现为梁底纵向裂缝和梁底横向裂缝。纵向裂缝普遍存在,纵向间断性延伸,横向裂缝主要分布在距梁端1/4至3/4跨,纵向裂缝和横向裂缝宽度均在0.15 mm以下。

2.1 计算模型

应用MIDAS CIVLI构建桥梁有限元模型,模型中主梁、桥墩、桩基础均使用梁单元,主梁与桥墩采用一般支座连接,桩基与地基土采用弹簧连接。

2.2 计算参数

(1)结构按部分预应力混凝土A类构件设计。

(2)箱梁采用C50混凝土,混凝土容重为26 kN/m3。

(3)钢绞线主要采用Φs15.2 mm,预应力张拉控制应力为1 390 MPa。

(4)整体温度按照整体升降温25 ℃。

(5)荷载等级:原设计采用汽—超20、挂—120;实际采用1.2倍公路-I级。

2.3 计算结果

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)(以下简称“规范”),在1.2倍公路-I级荷载作用下,对预应力混凝土组合箱梁在荷载组合Ⅱ作用下的抗弯承载力和应力进行验算。

2.3.1 抗弯承载力

截面最大抗弯承载力验算结果如表1所示。

表1 桥梁加固前正截面最大抗弯承载力验算单位:kN·m

由表1可知,中梁、边梁在组合Ⅱ作用下,截面最大弯矩内力均大于结构抗力,极限承载能力验算不满足规范要求。

2.3.2 主应力

主应力验算结果如表2所示。

表2 桥梁加固前主应力验算单位:MPa

由表2可知,中梁在荷载组合Ⅱ作用下,箱梁跨中下缘的最大主拉应力为-4.0 MPa(>-2.7 MPa),墩顶处的最小主应力最大值为-2.8 MPa(>-2.7 MPa),不满足A类构件的要求;边梁在荷载组合Ⅱ作用下,箱梁跨中下缘的最大主拉应力为-4.7 MPa(>-2.7 MPa),墩顶处的最小主应力最大值为-3.0 MPa(>-2.7 MPa),不满足A类构件的要求。

2.4 病害原因分析

2.4.1 梁底纵向裂缝

桥梁底部出现大量纵向裂缝的主要原因之一是预应力钢筋的预应力不满足设计要求,梁底主拉应力超过限值,从而出现开裂现象。

本桥箱梁采用90年代部颁通用图,与目前采用的通用图相比,总体上变化不大,原箱梁尺寸稍偏小,梁高高度低10 cm,腹板、底板厚度薄3 cm,边梁预应力钢束少4根Φs15.2,中梁少3根Φs15.2。端部腹板纵向水平钢筋φ8间距10 cm,中部腹板纵向水平钢筋φ8间距20 cm偏大。通过计算可知,在实际荷载作用下,底板最大拉应力为-4 MPa,不满足规范部分预应力A类构件限值-2.7 MPa要求,故产生纵向裂缝。

此外,温度梯度的存在也是纵向裂缝形成的另一个重要因素。当桥梁受到太阳直射时,其所在位置的温度升高较快,而底部避光的温度较低,这种温度梯度会导致桥梁梁底产生较大的纵向应力,从而引发裂缝的形成。这种温度梯度的应力变化会随着桥梁截面高度、箱梁长度以及支撑约束的变化而快速发生改变。与此同时,梁底的翼缘受到外界环境温度的影响,使得拉压应力频繁交替出现,这也容易导致纵向裂缝的形成。

2.4.2 梁底横向裂缝

底板横向裂缝主要由超载作用引起,在1.2倍公路-I级荷载作用下,箱梁承载能力和抗裂性能严重不足,截面出现大于限值的横向裂缝。

2.4.3 结构完整性受损

梁底裂缝的产生导致桥梁结构的完整性受到破坏,对桥梁的承载能力和安全性产生了负面影响。当梁底发生裂缝时,原本连续的结构被打断,使得桥梁的受力传递受到干扰和削弱。裂缝的存在会导致梁底的刚度降低,使得梁体在荷载作用下产生较大的挠度和变形,进而影响桥梁的整体稳定性。梁底裂缝还会增加桥梁的应力集中区域,使得裂缝周围的混凝土承受更大的应力,进一步加剧了结构的破坏。这可能导致裂缝的扩展和混凝土的剥落,进一步削弱了桥梁的承载能力。特别是在长期使用和不断受到交通荷载作用的情况下,梁底裂缝可能会逐渐扩大,导致桥梁的结构完整性更加受损。

3 改造加固方案

3.1 加固方案设计

针对桥梁承载力不足的问题,目前常用的加固方案有4种。

其二，突出各部门各乡镇街道的积极协同配合。由于“五水共治”不单单是水利和环保等部门的工作，而是涉及到乡镇街道等基层组织的工作，所以就需要通过宣传报道营造一种各单位、各部门、各乡镇街道齐心协力、共同为“五水共治”献计出力的氛围。

3.1.1 施加体外预应力法

在箱梁体外增加预应力束,其优点是能够有效提升桥梁结构刚度,加强主梁抗裂能力;缺点是主梁箱室内高度与钢束加固效率低。该方法适用于大跨度桥梁结构的加固以及高应力、高应变条件下的混凝土桥梁加固,不适用无防护且温度高于60 ℃的环境以及混凝土收缩徐变大的桥梁结构。

3.1.2 钢板粘贴法

在梁底钢板加固法是在梁底表面焊接或螺栓固定钢板,以增加梁底的强度和刚度[2]。优点是施工相对简单,对梁底裂缝的宽度和位置要求较宽松。钢板加固具有较高的抗拉能力和耐久性,能够有效抵抗梁底裂缝的进一步扩展。缺点是钢板的施工成本较高,且钢板加固法在受到冲击或震动荷载时可能出现松动或破坏的风险。

3.1.3 碳纤维粘贴法

将碳纤维布或板材粘贴在梁底面,通过碳纤维材料的高强度和刚度来增加梁底的承载能力[3]。碳纤维加固材料具有良好的耐久性和抗腐蚀性,同时对交通影响小且加固不损伤主梁;然而,碳纤维加固法的增强效果受温度变化和湿度等环境因素的影响较大,需要进行定期检测和维护。除此以外,施工质量控制难度较高,粘贴操作掩盖病害影响其发展状态监测。

3.1.4 置换加固法

通过在梁底设置新的构件或结构体来替代受损的部分,以增强梁底的承载能力。常见的置换加固方法包括加装钢梁、混凝土面板或预制梁等。该方法的优点是能够在一定程度上恢复梁底的完整性和刚度,提高桥梁的承载能力,适用于梁底裂缝较严重、超过修复能力的情况。然而,置换加固法的缺点为施工难度较大,需要进行详细的结构计算和施工方案设计,成本较高。

通过计算可知,次边跨和中跨箱梁的抗弯承载能力相差较大,梁体拉应力水平超过规范限值较多,故本次体外束配置采用长、短钢束相结合的形式,即两边跨各配短束、中间四跨配通长束(见图1)。

图1 施加体外预应力束(仅示一片边梁、一片中梁)

根据组合箱梁施加体外预应力束加固后的承载能力验算结果可知,加固后的箱梁承载能力满足规范要求,但是富余度较小。为改善桥梁受力状况和防止后期运营过程中更大的超载作用,进一步增加箱梁刚度,另对组合箱梁底板下缘粘贴钢板进行加固,每片梁底板粘贴2条宽250 m、厚5 mm的钢板(见图2)。

图2 粘贴钢板(仅示一片边梁、一片中梁)

3.2 加固效果分析

3.2.1 承载能力极限状态计算结果

分析组合箱梁桥改造加固后正截面抗弯承载能力,验算结果如表3所示。

通过表3可以看出,组合箱梁桥改造加固后,中梁、边梁在组合Ⅱ作用下,正截面抗弯承载力满足规范要求。

3.2.2 主应力计算结果

分析组合箱梁桥改造加固后的应力,验算结果如表4所示。

通过表4可以看出,组合箱梁桥改造加固后,中梁在组合Ⅱ作用下箱梁跨中下缘的最大主拉应力为-1.5 MPa(<-2.7 MPa),墩顶处的主拉应力最大值为-2.4 MPa(<-2.7 MPa),满足A类构件的要求;边梁在组合Ⅱ作用下箱梁跨中下缘的最小主应力为-2.66 MPa(<-2.7 MPa),墩顶处的最小主应力最大值为-2.5 MPa(<-2.7 MPa),满足A类构件的要求。