某異形連續(xù)箱梁橋靜力性能及維修加固設(shè)計研究

(江華瑤族自治縣交通運輸局， 湖南 永州 425599)

1 工程概述

某橋第13跨和第14跨為兩孔一聯(lián)異型預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面寬度：13.335～8.5 m。梁高2 m，單孔跨徑35 m，頂面寬度 12.88～8.2 m，底寬 8.26～3.58 m，其中WS13#墩位置處箱梁頂面寬度為 9.2 m，箱梁底面寬度為3.58 m。兩側(cè)端橫梁寬1.2 m，中橫梁寬2 m?；A(chǔ)及下部均為雙樁+單承臺+單花瓶墩結(jié)構(gòu)。設(shè)計荷載為城市-A級，人群荷載按城市橋梁規(guī)范計算取值，設(shè)計速度為40 km/h。

通車運營后，由于交通量及重載交通不斷增大，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重開裂等諸多病害[1]，影響其結(jié)構(gòu)耐久性和安全性。為此，對該橋進行了病害調(diào)查及靜力荷載試驗，以全面檢測橋梁的病害及受力性能，并為加固設(shè)計提供依據(jù)。橋跨分布簡圖見圖1。

圖1 橋跨分布及測試截面示意圖(單位： cm)

2 外觀檢測情況[2]

對該橋進行了外觀檢查，發(fā)現(xiàn)WS13#墩橫梁兩側(cè)、內(nèi)箱斜腹板和中腹板與橫梁交接位置處皆存在裂縫現(xiàn)象，最大縫寬約2 mm，距底板頂面30 cm位置處一直到頂板底，約1 m左右。WS13#墩柱兩側(cè)外立面腹板裂縫南北兩側(cè)共6道，其中南側(cè)2道、北側(cè)4道，長度約1.4 m左右，最大縫寬約3 mm。WS13#墩柱中腹板同樣存在裂縫，裂縫分布在腹板與橫梁交界處，裂縫形式與腹板相同。第13跨與第14跨跨中底板同樣發(fā)現(xiàn)裂縫，裂縫相關(guān)分布見圖2。頂板未發(fā)現(xiàn)裂縫。

圖2 第13跨、第14跨跨中底板裂縫分布簡圖

3 靜力荷載試驗

3.1 理論分析模型

試驗對象為第13跨和第14跨異形連續(xù)箱梁，該聯(lián)橋現(xiàn)澆箱梁計算跨徑為(34.4+34.4)m，采用實用精細(xì)化分析方法，運用專業(yè)結(jié)構(gòu)計算軟件Midas Civil[3]建立折面空間梁格模型，縱向梁格單元劃分為左邊箱、中箱、右邊箱，橫向剛度用截面有效厚度虛擬梁模擬，有限元模型見圖3。其他參數(shù)參考設(shè)計圖紙及現(xiàn)行規(guī)范。

圖3 結(jié)構(gòu)折面空間梁格模型離散圖

3.2 試驗工況及測試截面

該聯(lián)橋結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，結(jié)合連續(xù)箱梁的受力和變形特點，選取第13跨跨中截面、第13跨WS13#墩墩頂附近截面、第14跨跨中截面及第14跨WS13#墩墩頂附近截面作為該聯(lián)橋的主要控制截面。箱梁測試截面示意圖見圖1，靜載試驗工況、測試截面和測試項目見表1。

3.3 試驗結(jié)果

3.3.1應(yīng)變試驗結(jié)果

由表2可知，應(yīng)變校驗系數(shù)最大為0.904，相對殘余應(yīng)變最大為15.8%，檢驗系數(shù)和殘余應(yīng)變均滿足規(guī)范要求，但結(jié)構(gòu)安全儲備系數(shù)較低。

3.3.2撓度試驗結(jié)果

由表3可知，工況I荷載作用下第13跨跨中截面主梁撓度校驗系數(shù)大于1.0，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度低于設(shè)計值；工況II荷載作用下第14跨跨中截面主梁撓度校驗系數(shù)小于1.0，但校驗系數(shù)接近1.0，結(jié)構(gòu)安全儲備系數(shù)較低。

表1 靜載試驗工況及測試截面工況號試驗工況測試截面測試內(nèi)容I第13跨L/2截面最大正彎矩(正載)A-A應(yīng)變、撓度及裂縫測量II第14跨L/2截面最大正彎矩(正載)D-D應(yīng)變、撓度及裂縫測量III第13跨WS13#墩支點附近截面最大剪力(正載)B-B應(yīng)變及裂縫測量IV第14跨WS13#墩支點附近截面最大剪力(正載)C-C應(yīng)變及裂縫測量VWS13#墩支點截面最大負(fù)彎矩(正載)B-B、C-C應(yīng)變測量、裂縫測量

表2 主要測點混凝土應(yīng)變分析表工況實測最大應(yīng)變校驗系數(shù)相對殘余應(yīng)變/%I66με0.9045.7II84με0.8088.7III17με0.85015.0IV16με0.76215.8V46με0.8859.8

表3 主要測點撓度分析表工況實測最大撓度/mm校驗系數(shù)相對殘余應(yīng)變/%I-7.561.0753.2II-11.740.8274.9V-1.920.9857.7

3.3.3裂縫檢測結(jié)果

關(guān)鍵截面在相對應(yīng)的工況荷載作用下寬度和長度均未變化，當(dāng)加載至最大荷載時，對箱梁裂縫進行了觀測，未發(fā)現(xiàn)新開展的裂縫，說明該聯(lián)橋裂縫已處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

4 加固設(shè)計

4.1 加固設(shè)計思路

鑒于外觀檢查及靜載試驗結(jié)果，橋梁結(jié)構(gòu)強度尚可，但結(jié)構(gòu)整體剛度略低，考慮到運營期間預(yù)應(yīng)力損失和收縮徐變效應(yīng)的影響，加固設(shè)計總體思路是：對裂縫等病害進行全面修補、治理；增加體外預(yù)應(yīng)力，以改善梁體縱向剛度；對部分截面進行補強處理，以達(dá)到全面恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力、改善橋梁的使用性能和耐久性的目的。

4.1.1體外預(yù)應(yīng)力加固法

考慮施工的方便、加固的耐久性、大橋的美觀性要求，采用在箱內(nèi)布置體外束的設(shè)計方案。

4.1.2增大截面加固法

第13跨的WS13#墩處外腹板內(nèi)側(cè)及中腹板兩側(cè)均采用混凝土材料來增加腹板厚度，以改善腹板受力性能和增加截面抗剪強度。第14跨的WS13#墩處外腹板內(nèi)側(cè)采用混凝土材料來增加腹板厚度，以改善腹板受力性能和增加截面抗剪強度。

4.1.3裂縫處治

維修加固必須進行全面細(xì)致的裂縫處理工作。本橋采用體外有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固為主，并與其它2 種加固技術(shù)相結(jié)合的方法，實現(xiàn)加固技術(shù)可靠、施工方便、安全和耐久的目的。

4.2 加固具體措施

1) 采用4束Φ15.2×12 的鋼絞線體外索加固

第13、第14跨橋梁。4束鋼束橫橋向分別布置在靠近外腹板的內(nèi)側(cè)及中腹板的兩側(cè)。縱橋向2跨通長布置，錨固塊位于WS12#及WS14#墩柱附近，采用雙端張拉的形式。

2) WS13#墩柱附近腹板開裂位置采用箱內(nèi)全截面增厚的方式進行。邊腹板截面劃分為：內(nèi)側(cè)錨固塊、內(nèi)側(cè)18 cm腹板增厚段、內(nèi)側(cè)18～40 cm 變厚段、內(nèi)側(cè)40 cm全斷面增厚段。具體見圖4。

3) 采取2種方式進行裂縫處理：裂縫寬度在0.15 mm 以上，采用灌注處治；裂縫寬度在 0.15 mm以下，采用封閉處治。

圖4 箱梁加固構(gòu)造布置圖

4.3 理論計算結(jié)果

總體靜力計算根據(jù)折面空間梁格理論，按原橋設(shè)計荷載等級，考慮了永久作用荷載、汽車、溫度力、不均勻沉降等荷載，并根據(jù)荷載組合要求的內(nèi)容進行截面計算，驗算結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下是否滿足規(guī)范的要求。見表4、表5。

1) 由表4可知，該橋在腹板增大截面后，在承載能力極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)各控制截面抗彎承載力均滿足規(guī)范要求，且跨中截面承載力較加固前提高10%左右。斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

表4 截面內(nèi)力驗算表位置荷載效應(yīng)值結(jié)構(gòu)承載能力提高百分比/%彎矩/(kN·m)剪力/kN設(shè)計值加固值彎矩/(kN·m)剪力/kN彎矩/(kN·m)剪力/kN彎矩剪力邊箱腹板墩頂腹板開裂區(qū)域1 9742 62816 3345 04516 0075 246-2.04.0 跨中18 74621 84023 5878.0中箱腹板墩頂腹板開裂區(qū)域8 1982 52921 4008 31120 5448 618-4.03.7 跨中21 05531 72635 85013.0

表5 增大截面加固對原橋恒載的應(yīng)力影響計算表MPa位置截面正應(yīng)力計算值加固前加固后變化值邊箱腹板跨中-8.4-8.30.1墩頂-8.7-8.10.6中箱腹板跨中-8.1-8.2-0.1墩頂-9.7-8.61.1

2) 由表5可知，該橋在腹板增大截面后，由于增加了恒載，對于墩頂截面有附加拉應(yīng)力1.1 MPa，但根據(jù)原橋設(shè)計圖紙及計算書，在允許范圍內(nèi)，因此在正常使用極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)各控制截面的上、下緣正應(yīng)力、主拉及主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3) 由圖5可知，在汽車荷載作用下，新增腹板和原橋腹板的變形基本一致，變形協(xié)調(diào)。

圖5 活載作用下原橋腹板與新增加固腹板變形圖

5 結(jié)語

本文以一座運營期內(nèi)裂縫病害嚴(yán)重的異形連續(xù)箱梁橋為例，通過靜載試驗評定其承載能力，并提出了維修加固方案及具體措施，主要結(jié)論如下：

1) 箱梁嚴(yán)重開裂對結(jié)構(gòu)整體剛度影響較大，但在有預(yù)應(yīng)力前提下，結(jié)構(gòu)尚能維持于彈性工作狀態(tài)。

2) 體外預(yù)應(yīng)力與腹板增大截面相結(jié)合加固法使跨中截面承載力較加固前提高10%左右，可以有效解決跨中截面剛度不足的問題。

3) 在腹板增大截面后，結(jié)構(gòu)各控制截面正應(yīng)力、主拉及主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，且新增腹板和原橋腹板的變形基本一致，說明該方案理論上是可行的，可為類似工程提供參考。