橋梁加固設計淺析
2015-04-03
一、概述
近年來，我國橋梁建設事業(yè)的飛速發(fā)展，橋梁結構的使用荷載日益增大，大批既有橋梁結構也進入了老化期，數量龐大的老化期橋梁不可能全部拆除新建，因此橋梁檢測與加固也越發(fā)顯得格外重要。
橋梁結構隨著使用時間的延續(xù)，受結構設計和施工的不當、使用條件變化及環(huán)境侵蝕等因素的影響，都會使結構受到不同程度的損傷，造成橋梁病害，使結構性能退化，使用功能逐步降低乃至完全喪失。產生病害的主要因素如下：
1、設計考慮不周造成橋梁結構原始性缺陷，如結構型式不合理；斷面及鋼筋布置不合理；對一些特殊結構如收縮徐變、溫度、水化熱及基礎變位等因素考慮不足。
2、施工質量問題導致橋梁結構損傷，如原材料質量不合格、混凝土澆筑不密實、混凝土澆筑順序不當、預應力鋼束張拉控制不當、預應力孔道灌漿不飽滿、脫模時間控制不當、混凝土接頭位置設置不合理等。
3、交通超載造成橋梁損傷。橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問題，超載會使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇，甚至會出現一些超載引發(fā)的結構破壞事故。在解決汽車超載問題的同時，一些已受到嚴重影響的橋梁的加固問題也迫在眉睫。
橋梁在使用過程中材料的退化，產生橋梁病害，如混凝土的碳化及鋼筋的銹蝕。
橋梁加固的主要目的是恢復橋梁的使用功能、提高承載力、增強安全耐久性。橋梁加固就是通過一些有效的措施，使受損橋梁結構恢復其原有的技術功能，以滿足新的承載條件和使用功能的要求。加固方案是加固設計的核心內容，加固方案確定的主要內容是根據舊橋的主要病害，在解決原橋病害的基礎上保持原橋的穩(wěn)定性和建筑的美觀性。
二、橋梁概況及主要病害
本項目橋跨越多股鐵路，有主橋和南、北引橋組成。設計荷載為汽-20，掛車-100。主橋上部結構采用65.94+100+65.94m三孔變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁，橋梁上部結構采用三向預應力混凝土結構。橫斷面采用單箱單室斷面，頂板寬度為12.5m，底板寬度為6.9m，翼緣板寬度為2.8m。箱梁中支點處梁高5.5m，跨中及合攏段梁高為2.3m。經現場檢測，主橋主要存在以下病害：
1、橋面鋪裝及伸縮縫：主橋多處橋面鋪裝損壞嚴重，存在開裂、破損等病害；橋梁伸縮縫存在局部破損、缺失等現象；橋面防撞墻存在開裂、破損露筋及銹蝕等病害。
2、箱梁外表面開裂：主橋混凝土箱梁開裂現象嚴重，檢測結果表明西幅橋主橋第3跨箱梁腹板處有兩條沿腹板向上約45度方向的斜裂縫。裂縫情況參見下圖：
3、箱梁內表面開裂：2009年和2010年外觀檢測時發(fā)現主橋箱梁內部存在大量裂縫，箱梁內部的裂縫存在以下特點：
①各跨箱梁腹板和頂底板均有裂縫。
②箱梁腹板裂縫主要為斜向裂縫，越靠近跨中傾斜角度越小，在跨中4m范圍內為豎向裂縫；箱梁頂板裂縫為順橋向裂縫，箱梁頂板裂縫主要集中在各幅橋箱梁中心線附近。
?、鄢龞|幅橋跨中少數裂縫有滲水現象外，其它各裂縫尚未發(fā)現滲水現象。
通過現場檢測，在試驗荷載作用下主橋箱梁剪應力校驗系數在0.79～0.86之間、跨中斷面及墩頂附近箱梁斷面的應力校驗系數在0.64～0.90之間、主橋撓度校驗系數在0.84～0.97之間，表明大成橋主橋抗剪強度、抗彎強度和結構剛度滿足設計荷載要求。但主橋部分測點的撓度校驗系數超過了0.90，表明主橋箱梁抗彎剛度富余量不多，建議盡快進行修補加固。通過對原橋的計算復核，印證了上述的試驗結果，本橋目前雖然按限載15T進行運營，但實際上長期有大量超載重型車輛過橋，使本橋的工作性能進一步惡化。
三、橋梁加固方案
根據上述病害，本橋的加固目標是提高橋梁的抗彎和抗剪承載力，提高結構剛度；改善箱梁腹板的主拉應力狀況，避免開裂情況進一步開展；增大箱梁的最小壓應力儲備，增大安全儲備。橋梁結構自重很大，而且一般均為帶載加固，原構件自重及先期恒載產生的內力由原構件承擔，活載及后加恒載產生的內力由加固后的組合截面承擔，加固設計計算必須考慮加固前后分階段受力的特點，因此應在滿足加固目標的條件下，盡可能減少加固荷載。
目前橋梁加固的方法很多，如增大截面法、粘貼高強復合纖維法、預應力加固法、改變結構體系加固法等，單純的增大截面會增大加固荷載，降低加固效果。本橋剛度加固為主，強度加固為輔，采用粘貼高強復合纖維加固，對結構的剛度提高不大。預應力加固技術施工方便，經濟可靠，能有效地提高現有橋梁的承載力，改善結構使用性能，是一種主動加固的有效方法。針對本橋實際情況，經反復論證采用適當增大截面提高結構剛度，結合預應力主動加固的設計方案。
經過多次模擬分析，確定預應力鋼束配置方案。為提高結構剛度，抑制運營階段腹板裂縫的發(fā)展，在箱梁腹板內側澆筑25cm厚C50微膨脹混凝土，同時在中跨和邊跨的每道后澆混凝土中設置2束22φs15.2mm的高強度低松弛鍍鋅鋼絞線，通過合理布置鋼束線形，提高正截面抗彎和斜截面抗剪能力。所有腹板鋼束采用鉆孔方式通過主墩橫梁，并交叉錨固在主墩橫梁的兩側斜錨塊上。
為改善底板的受力狀態(tài)，在底板上增設體外預應力。體外預應力加固是通過增設體外預應力索(包括鋼絞線、高強鋼絲束和精扎螺紋鋼筋) 對既有混凝土構件主動施加外力，以改善原結構的受力狀況的加固方法。本橋在中跨箱梁底板頂面設置10束22φs15.2mm的高強度低松弛鍍鋅鋼絞線；邊跨箱梁底板頂面設置2束22φs15.2mm的高強度低松弛鍍鋅鋼絞線，體外預應力束沿底板頂面平行設置，錨固于混凝土齒板上。通過在底板頂面設置體外鋼束，可以在不大幅度增加恒載的基礎上，達到改善橋梁受力狀態(tài)的效果。
四、結語
1、本橋通過加固改造后，經近2年的運營，使用狀況良好，未見新的病害，說明通過適當增加加固荷載提高結構剛度，配合預應力主動加固的設計方案，對本橋的病害是完全合適的。
2、橋梁加固必須考慮分階段受力特點，加固計算中應充分模擬分階段受力對構件計算結果的影響。
3、加固前應盡可能卸載，通過預應力加固的方法，主動調整橋梁的受力狀態(tài)，提高結構的承載能力和使用性能。
4、體外預應力加固的方法在恒載增加很少的情況下，能夠較大的提高承重結構的剛度和抗裂性能，且對墩臺基礎受力的影響較小，能夠取得較好的加固效果，但需要注意體外索要具有可更換性和很好的防腐性；與有粘結預應力束比較，體外束的預應力損失要小，設計時應對體外束的有效應力進行很好的控制，避免鋼束處于長期的高應力工作狀態(tài)。
參考文獻：
[1] 張樹仁. 從被動加固到主動加固的思考
[2] 公路橋梁加固設計規(guī)范
