上承式鋼管混凝土拱橋橋道系病害分析和加固

曾 洋,李 蒙

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430050)

1 橋梁概述

南里渡特大橋位于湖北省恩施州恩施市G318滬聶線上,為滬蓉國道主干線湖北省西段改建工程中的一座獨立特大橋。主橋系鋼管混凝土桁架無鉸拱,凈跨徑220 m,凈矢高44 m。主拱圈鋼管混凝土拱肋截面由拱頂至拱腳逐步增大,兩條拱肋中心距為7.4 m,每條拱肋由四根Φ920 mm×14 mm的上、下弦鋼管混凝土桿和Φ355.6 mm×7 mm的鋼管平聯桿組成,兩拱肋通過橫撐連成整體以加強其共同受力,主跨拱肋的拱座采用鋼筋混凝土拱座,支承于巖體上。拱上立柱采用Φ355.6 mm×8 mm鋼管混凝土結構,每個立柱包含8根鋼管混凝土柱,柱間采用鋼管連接,柱頂通過預埋鋼板與預制鋼筋混凝土蓋梁連接。拱上建筑采用20 m跨度普通鋼筋混凝土簡支T梁,橋面連續,伸縮縫設在交界墩處。橋面鋪裝下層為8 cm混凝土現澆層,上層為4.5 cm瀝青混凝土橋面寬度13.2 m,橋梁于2002年建成通車。

現狀橋道系所有T梁腹板普遍存在U型裂縫,裂縫集中在T梁縱向(1/4～3/4)L范圍內,裂縫縱向間距在0.1～0.3 m之間,裂縫長為15～150 cm,寬為0.1～0.3 mm,共計發現1 286條U型裂縫,裂縫總長322.1m,最大寬度0.3 mm,超過《公路橋涵養護規范》(JTG 5120—2021)中關于鋼筋混凝土結構豎向裂縫的限值規定。

現狀橋面鋪裝粗骨料外露情況普遍,瀝青層局部破損面積大,橋面縱橫向裂縫較多,且大多已灌縫處治?？v橫向裂縫整體分布存在一定的規律性,縱向裂縫多位于T梁橫向接縫處,且裂縫長度較長,部分貫通整跨;橫向裂縫出現在每個橋面連續墩頂,拱頂處裂縫病害最為嚴重,現場發現拱頂處裂縫修補后依然開裂。

2 橋梁病害成因分析

2.1 橋道系T梁裂縫分析

分析T梁裂縫產生原因,主要有以下兩點:(1)建設期施工養護不當,混凝土收縮和溫度作用產生裂縫,后在橋梁運營過程中不斷發展。(2)橋梁位于鄂西國道干線,重載交通逐年增多,受疲勞作用的影響,橋道系T梁出現U型裂縫,該橋T梁U型裂縫較多,U型裂縫主要分布在T梁縱向(1/4～3/4)L位置,部分裂縫寬度超過規范限值,U型裂縫的產生與重載交通的增多密切相關。

為了探究現狀橋梁結構安全性,結合主梁材料專項檢測報告和承載能力評定規程,引入承載能力修正系數,對設計狀態的T梁承載能力進行修正,驗 算現狀橋道系20 m T梁受力性能。計算結果表明,引入承載能力修正系數后,邊、中梁正截面抗彎承載力已不能滿足原設計規范要求。同時按現 行規范車道荷載對T梁進行加載,在基本組合下結構承載能力富余不足。隨著橋位處汽車荷載的加大、環境因素的影響,橋道系T梁承載能力下降。

2.2 橋面鋪裝裂縫分析

對于常規的鋼筋混凝土簡支T梁橋而言,T梁設置于樁柱式橋墩之上,受下部結構影響小,南里渡特大橋上部結構支撐于拱圈之上,鋼管混凝土拱圈在外部荷載、收縮徐變、溫度變化的影響下均會產生變形,對上部結構造成影響。為了研究各種因素影響的大小,利用midas Civil軟件建立全橋有限元模型。模型拱腳處設置固定約束,拱上立柱與主拱圈共節點,立柱與T梁采用彈性連接,橋面鋪裝采用板單元,并在墩頂處釋放梁端約束。模型共計3 357個節點、6 189個單元。

通過模型分析整體橋梁在汽車荷載、材料徐變、溫度作用下的變形,因橋面鋪裝裂縫主要集中在墩頂處,故計算時主要關注墩頂處的橋面變形。查閱資料得知恩施當地極端最低氣溫為-14.8 ℃,極端最高氣溫為 41.2 ℃,相應地在模型中模擬整體升溫20 ℃和整體降溫30 ℃時工況。結果見圖1～圖4。

圖1 汽車荷載作用下各橋墩處橋面位移

圖2 徐變作用下各橋墩處橋面位移

圖3 整體升溫20 ℃各橋墩處橋面位移

圖4 整體降溫30 ℃各橋墩處橋面位移

查閱歷次檢測報告中橋面線形測量值,恰在大氣溫度6 ℃和26 ℃時有橋梁標高實測值記錄,兩種大氣溫度下實測主橋(1/4～3/4)L跨橋面高程差為40～82 mm。模型模擬可知在主橋升溫20 ℃工況下,主橋(1/4～3/4)L跨整體抬升43.5～72.5 mm?？紤]到測量誤差、溫度誤差及車輛荷載的影響,認為實測橋面線形變化與理論計算分析基本一致,證明模型計算結果的可靠性。由計算結果可知,車輛荷載和徐變對橋面線形的影響較小,但較大的溫度變化會使橋梁產生往復的上下變形。

南里渡大橋橋道系T梁20 m一跨,結構簡支橋面連續,橋面現澆層采用Φ8鋼筋網,且在橋面連續處鋼筋未進行加密處理。每跨6片T梁橫向在橫隔板頂底部通過一塊鋼板連接。綜合分析,因為該橋橫向聯系弱,且橋面連續處未做加強,在汽車荷載、環境溫度的影響下,橋道系橋面鋪裝縱橫向接縫處應力較大,長期往復變形作用下橋面鋪裝產生大量裂縫,即使對裂縫及時灌縫處理,由于接縫強度不足,隨著時間推移裂縫還將再次出現。

3 加固設計

3.1 T梁體外預應力加固

(1)適當提高梁體抗彎承載能力,并具有一定的安全儲備。

(2)提供一定的壓應力,抵消部分活載產生的拉應力,改善T梁應力狀況,封閉裂縫,提高耐久性。

相比粘貼鋼板等被動加固方式,體外預應力更適合鋼筋混凝土T梁主動加固。目前體外預應力在T梁加固中普遍采用折線形布束,這種布束既能解決T梁跨中抗彎承載力的不足也能改善端部抗剪承載力。南里渡大橋上部結構T梁主要問題為跨中承載力不足,端部抗剪承載力足夠,如采用折線形布束,則會造成材料浪費,同時增加施工難度。從實際出發,在T梁折線形布束方案的基礎上進行針對性改進,將鋼束調整為在(1/4～3/4)L區域T梁底面直線布置,直線形布束取消鋼束轉向塊,加固系統主要由錨固塊、鋼束、減震器組成,結構形式簡約,利于批量工業化生產。

常用的錨固塊設計有鋼錨固塊和混凝土錨固塊。鋼錨固塊重量更輕,強度更大,對原橋恒載影響小。鋼結構便于工廠化預制,施工效率更高,工廠預制鋼板鍍鋅防腐和焊縫處理均優于現場安裝,對于批量加固工程,鋼錨固塊優勢明顯。在構造滿足要求的前提下,為了方便運輸和安裝,需將鋼錨固塊盡量做小。鋼錨固塊由錨固部分和連接部分組成,錨固部分承受鋼束的局部壓力,構造尺寸主要由錨具大小決定,連接部分通過對穿錨栓和粘鋼膠將錨固塊鋼板與T梁腹板連接,錨栓的布置和數量決定了連接部分的構造大小。

對穿螺栓和粘鋼膠將鋼束的拉力傳遞到梁體,考慮到實際施工過程中粘鋼膠材料性能和壓注工藝的不確定性,計算時偏安全地不考慮粘鋼膠提供的抗剪力,提出錨栓布置的簡化計算公式為

fpdApe≤0.5fmAsmn

(1)

式中:fpd為體外索的抗拉強度設計值,MPa;Ape為體外索的截面面積,mm2;fm為單個錨栓的抗剪強度設計值,MPa;As為單個錨栓的截面面積,mm2;m為錨栓的橫向排數,排;n為錨栓的豎向列數,列?？紤]到群錨受力時各錨栓受力的不均勻性,公式中考慮0.5的抗力降低系數。

根據T梁承載能力欠缺量,南里渡大橋T梁腹板底部設置5Φs15.2體外預應力鋼束進行補強,采用15-5錨具、鋼結構錨固塊,鋼束標準抗拉強度為1 860 MPa,錨下張拉控制應力為930 MPa,整跨同步分級單端張拉。錨固塊采用對穿8.8級普通M20錨栓與T梁腹板連接,錨栓抗剪強度設計值為290 MPa,錨栓間距20 cm。根據公式(1)計算,需對穿錨栓12個。采用m=6、n=2的布置方案。

錨固塊鋼板和鋼管均采用Q355B鋼材,采用體有限元分析軟件midas FEA 對鋼錨固塊進行安全性分析,將鋼束作用力等效為壓力施加在承壓鋼板上并建立螺栓孔,在孔壁施加固結約束,網格劃分采用四面體實體單元。

計算結果表明,錨固塊的最大應力出現在靠近端部錨栓孔處,為92.6 MPa,最大位移出現在預應力鋼束承壓板處,為0.179 mm,最大反力出現在應力最大錨栓孔處,為15 kN,計算結果均能滿足錨固塊鋼材和對穿螺栓的受力要求。從模型分析結果可見,錨栓的受力存在不均勻性,靠近T梁端部的螺栓受力大于靠近跨中的螺栓,靠近梁底的螺栓受力大于考慮頂板的螺栓。

采用有限元分析軟件midas FEA 對T梁錨固區進行計算分析,選取單片梁一半梁體建立有限元實體模型,邊界條件為跨中截面固結,T梁腹板剪切荷載根據應力面積等效加載值為0.55 MPa,加載范圍為錨固塊連接鋼板的面積:1 150 mm×515 mm。

計算結果表明,在體外預應力的作用下,T梁跨中底板有7.5 MPa的壓應力儲備,T梁最大拉應力出現在T梁頂板,為0.46 MPa,應力值均滿足混凝土的強度要求,所以在體外預應力作用下,錨固區和T梁頂板受力安全,同時T梁底板獲得壓應力儲備,T梁承載能力提升。

3.2 橋道系整體性加強

(1)根據前述原因分析,橋面鋪裝墩頂橫向裂縫的主要原因是拱圈上下往復變形導致的疲勞破壞,次要原因是原設計橋面現澆層采用Φ6鋼筋網,現澆層整體性較差,在橋面連續處連接較弱。加固時考慮將橋面鋪裝剛度增強,以適應這種往復變形。提出兩種加固方案:①方案一,UHPC(超高性能混凝土)加固。將原橋面鋪裝鑿除重做,現澆層采用常溫養護UHPC,配雙層Φ12鋼筋網;②方案二,常規加固。將原橋面鋪裝鑿除重做,現澆層采用雙層Φ12鋼筋網。具體方案對比見表1。

表1 橋面鋪裝加固方案對比表

UHPC作為一種新型的建筑材料,具有超高的強度、耐久性、材料韌性和良好的流動性,UHPC橋面現澆層能很好地解決橋面連續處強度不足問題,同時增加橋面鋪裝層強度和剛度,配合T梁橫向加固措施,能有效改善橋道系現狀。

新的橋面現澆層通過植筋與原梁體連接,植筋施工應嚴格按要求進行,保證植筋深度和植筋的抗拔力,以保證新老混凝土的層間聯結,使現澆層和T梁共同受力。UHPC澆筑前應做材料試驗,保證其強度,現場澆筑時嚴格控制養護措施,保證施工質量。

(2)由于T梁間連接鋼板較弱,本次采用包夾鋼板增強T梁橫向聯系,施工步驟如下:①橫隔板裂縫封閉、錯臺聚合物水泥砂漿修補、原鋼板除銹補焊;②包夾鋼板螺栓定位鉆孔;③安裝兩側加固鋼板,通過錨栓固定;④安裝底鋼板并與兩側鋼板焊接;⑤壓注粘鋼膠。

4 結 論

(1)體外預應力加固是鋼筋混凝土結構承載能力不足時有效的主動加固方式,不同于目前常用的體外預應力布束方式,提出一種鋼筋混凝土T梁的簡約加固措施,并給出錨固塊與T梁連接的螺栓布置公式,將體外預應力裝置輕量化。

(2)上承式鋼管混凝土拱橋溫變特性明顯,橋位處溫度變化較大時,拱圈上下變形明顯,為了適應這種變形,橋道系在設計時更宜采用變形協調性良好的連續結構,當采用簡支結構時應加強橋道系橫向整體性和墩頂橋面鋪裝韌性設計。