大橋加固設(shè)計(jì)與受力性能分析范文
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《中國(guó)西部科技雜志》2015年第五期
1橋梁病害原因分析
（1）主拱線形與設(shè)計(jì)線形吻合較差。經(jīng)檢測(cè)，主拱第一跨和第三跨線形與設(shè)計(jì)線形存在較小偏差，第二跨主拱線形與設(shè)計(jì)線形偏差較大，分析認(rèn)為主要是由施工偏差引起的。（2）主拱拱肋出現(xiàn)混凝土破損、開裂、滲水、露筋、鋼筋銹蝕等病害。主拱拱肋為預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，接縫多，混凝土齡期有差異，對(duì)施工要求高。當(dāng)拱肋施工質(zhì)量不高時(shí)，出現(xiàn)了較多的蜂窩、麻面、露筋、接縫處滲水等病害，尤其是預(yù)制拱肋之間的現(xiàn)澆接縫處，更易由于施工質(zhì)量的問(wèn)題出現(xiàn)病害，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性不利。經(jīng)計(jì)算，拱肋在原設(shè)計(jì)荷載下大部分位置滿足規(guī)范要求，只有少部分位置存在不足；而經(jīng)檢測(cè)，原結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度與剛度。因此對(duì)拱肋應(yīng)在不對(duì)原結(jié)構(gòu)有較大擾動(dòng)影響下進(jìn)行維修加固，提高其強(qiáng)度及耐久性。（3）橫向系梁開裂、露筋等病害。拱肋間部分橫系梁因?yàn)槭┕べ|(zhì)量的緣故，容易出現(xiàn)病害，尤其是在與主拱肋連接處混凝土難以整搗密實(shí)，更易出現(xiàn)開裂、露筋、銹蝕等病害。（4）拱上立柱底部水平開裂及蜂窩麻面。部分立柱底部存在的水平裂縫，可能是混凝土施工質(zhì)量不佳，在地震、溫度或車輛沖擊作用下產(chǎn)生的。當(dāng)立柱上部支座失效時(shí)，在水平力的作用下，立柱底部容易出現(xiàn)水平裂縫。（5）拱上連續(xù)縱梁及墊墻破損、開裂。部分連續(xù)梁混凝土存在分布于跨中及立柱頂連續(xù)梁承受負(fù)彎矩區(qū)的裂縫，此類裂縫應(yīng)為受力裂縫。部分縱梁端支承處混凝土破損嚴(yán)重，存在露筋、銹蝕等現(xiàn)象，主要原因是連續(xù)縱梁與實(shí)腹段交界處未設(shè)置伸縮縫裝置，從而跳車現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)梁體的沖擊較大，致使連續(xù)梁端部混凝土破損。（6）主橋橋面板開裂、滲水。部分橋面板破損嚴(yán)重，存在較多沿橋縱向，分布在兩支承范圍內(nèi)的裂縫，大部分橋面板板間鉸縫質(zhì)量較差，混凝土不密實(shí)，部分鉸縫兩側(cè)橋面板局部混凝土脫落，鋼筋外露，銹蝕嚴(yán)重以及滲水等現(xiàn)象。裂縫出現(xiàn)原因主要是由于橋面板間的鉸縫較弱，剪力傳遞能力不足，導(dǎo)致在運(yùn)營(yíng)荷載作用下橋面板單板受力效應(yīng)明顯而出現(xiàn)裂縫；另外在伸縮縫附近的橋面板因?yàn)樯炜s縫功能失效，在車輛沖擊作用下也容易出現(xiàn)裂縫。（7）主橋墩臺(tái)開裂、滲水。主橋第一跨與引橋交界墩兩拱肋間拱座混凝土存在開裂現(xiàn)象，裂縫寬度約1mm，附近墩身塊石存在斷裂現(xiàn)象，主要原因可能是地震造成的。主橋第一跨與第二跨間、第二跨與第三跨間橋墩墩帽兩側(cè)均存在豎向裂縫，裂縫寬度0.12～0.32mm，部分裂縫寬度已超出限值。主要原因可能是地震或者拱肋徑向力的豎向分力造成的，墩頂橫向配筋較少，容易在墩中間出現(xiàn)縱橋向裂縫。
2橋梁加固方案要點(diǎn)
2.1加固目標(biāo)對(duì)舊橋結(jié)構(gòu)加固主要是根據(jù)橋梁在正常使用過(guò)程中的力學(xué)表現(xiàn)而展開的，結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶裂縫工作的狀態(tài)將“削弱”其使用效能，影響其耐久性。加固措施的首要任務(wù)是在恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)使用功能的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的可靠度與耐久性，因此加固的目標(biāo)是維持原汽車-20，掛-100的荷載標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)盡可能不增加過(guò)多自重，避免對(duì)下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。
2.2加固思路加固的目標(biāo)是恢復(fù)橋梁承載力，維持原橋梁大部分外形和結(jié)構(gòu)總體體系不變，利用現(xiàn)有的拱橋斷面尺寸及砼強(qiáng)度，對(duì)局部構(gòu)件承載力適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)，拱橋的加固改造方法主要有采用增大截面或者粘貼鋼板條、貼碳纖維布等。拱腳病害不是很嚴(yán)重，通過(guò)方案比較，前兩個(gè)方案對(duì)原結(jié)構(gòu)均有損傷，會(huì)改變結(jié)構(gòu)原有受力狀況，對(duì)結(jié)構(gòu)不利；且結(jié)構(gòu)厚度小，受力復(fù)雜，不利于粘貼鋼板時(shí)錨栓的錨固。另外拱肋經(jīng)常受到汽車荷載的沖擊，容易造成錨栓的松脫；粘貼碳纖維布的方法對(duì)原結(jié)構(gòu)無(wú)損傷，附加荷載輕，且能有效增加拱腳強(qiáng)度；
2.3拱橋加固方案
2.3.1主橋拱肋通過(guò)計(jì)算，拱肋拱腳和跨中承載能力稍弱，擬對(duì)拱腳和跨中粘貼碳纖維布加固。對(duì)拱肋表面病害進(jìn)行維修處理。在拱腳到第二排立柱間的拱腳上緣粘貼3層順橋向碳纖維布，碳纖維布寬40cm，間距20cm，以提高其抗彎能力；在其接頭處粘貼2層環(huán)向碳纖維布，環(huán)向碳纖維布寬20cm，間距30cm，在作為壓條的同時(shí)作為抱箍材料，提高拱腳的抗壓能力；中間位置則每隔40cm設(shè)置一道20cm寬的壓條。在拱肋跨中附近梁底粘貼碳纖維布，以提高其抗彎能力，限制梁底裂縫進(jìn)一步的擴(kuò)展。具體做法：在拱肋跨中50m范圍內(nèi)，每個(gè)拱肋上橫橋向粘貼4條碳纖維布，每條碳纖維布3層，每條寬度40cm，間距20cm，碳纖維布在縱橋向每隔2m設(shè)置一道壓條，在中間和端部加強(qiáng)壓條。
2.3.2拱肋橫向系梁部分橫系梁存在施工質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)病害進(jìn)行表面處理即可，以提高結(jié)構(gòu)整體性及耐久性。
2.3.3拱上立柱對(duì)拱上立柱的修復(fù)，首先要查看其上部立柱油毛氈支座是否已失效，若失效則應(yīng)對(duì)支座進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)其鉸接功能；對(duì)立柱則采用增大截面或環(huán)貼碳纖維布的方式進(jìn)行加固，當(dāng)立柱空間適于環(huán)貼碳纖維布時(shí)粘貼碳纖維布，不適于時(shí)則增大立柱截面。
2.3.4拱上連續(xù)縱梁及墊墻經(jīng)計(jì)算，拱上連續(xù)縱梁在原設(shè)計(jì)荷載下承載能力滿足規(guī)范要求，縱梁出現(xiàn)裂縫可能與超載、汽車沖擊力過(guò)大有關(guān)，因此加固主要針對(duì)出現(xiàn)病害的縱梁。重新設(shè)置伸縮縫，減小車輛沖擊對(duì)縱梁、墊墻的影響。對(duì)結(jié)構(gòu)的裂縫采用化學(xué)灌漿方法，按裂縫寬度分別處理：裂縫≤0.15mm的采用環(huán)氧膠表面封閉；裂縫寬＞0.15mm進(jìn)行灌漿處理；對(duì)砼表面有缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。
2.3.5主橋橋面板由于橋面板病害主要出現(xiàn)在伸縮縫附近及鉸縫失效較為嚴(yán)重的位置，因此，結(jié)合橋面整體化層的維修對(duì)橋面板病害進(jìn)行處理。在鑿除原整體化層澆注新的鋼纖維整體化層的同時(shí)，對(duì)鉸縫失效較為嚴(yán)重的鉸縫也鑿除重新澆注。
3.1有限元計(jì)算方法及模型結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、幾何特性、邊界條件模型同實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致；結(jié)構(gòu)計(jì)算模型反映結(jié)構(gòu)分階段形成的特點(diǎn)，正確反映各重要工況下的結(jié)構(gòu)特性及荷載狀況。由于拱肋裂縫的出現(xiàn)可能造成鋼筋的銹蝕，考慮到截面損傷，鋼筋銹蝕等造成的影響，對(duì)拱肋截面及鋼筋截面進(jìn)行相應(yīng)的折減。采用橋梁結(jié)構(gòu)分析程序MIDAScivil進(jìn)行全橋計(jì)算分析，建模時(shí)將全橋劃分為2750個(gè)單元，1769個(gè)節(jié)點(diǎn)。按照實(shí)際施工情況，劃分為5個(gè)施工階段及1個(gè)運(yùn)營(yíng)階段。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2。
3.2主橋加固前整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算由于該橋結(jié)構(gòu)計(jì)算資料缺乏，故利用原設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行驗(yàn)算，加固前計(jì)算采用的是85規(guī)范。由表1知，主橋拱肋在承載能力極限狀態(tài)下拱肋正截面抗彎強(qiáng)度不滿足要求，需要對(duì)拱肋進(jìn)行加固，以提高拱的承載能力及剛度。
3.3主橋加固后整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算
3.3.1公路85規(guī)范計(jì)算加固后結(jié)構(gòu)利用粘貼碳纖維布的方法對(duì)拱肋進(jìn)行加固后，驗(yàn)算其在各種工況下的受力狀況，表2為根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ023-85)(以下簡(jiǎn)稱公路85規(guī)范)計(jì)算得到的結(jié)果。通過(guò)公路85規(guī)范計(jì)算得出：主橋拱肋結(jié)構(gòu)加固后的承載能力滿足規(guī)范要求。
3.3.2公路04規(guī)范計(jì)算加固后結(jié)構(gòu)利用粘貼碳纖維布的方法對(duì)拱肋進(jìn)行加固后，驗(yàn)算其在各種工況下的受力狀況，表3為根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)(以下簡(jiǎn)稱公路04規(guī)范)計(jì)算得到的結(jié)果。通過(guò)公路04規(guī)范計(jì)算得出：主橋拱肋結(jié)構(gòu)加固后的承載能力滿足規(guī)范要求。
4結(jié)論
本文以蒼溪嘉陵江大橋鋼筋混凝土拱橋加固工程為例，對(duì)該橋的主拱肋、橋面板、橫系梁及拱上立柱等的加固技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究和計(jì)算分析，分析計(jì)算表明加固后的橋梁各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。
作者：劉杰 單位：廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院