增江大橋病害分析及加固

1、增江大橋病害分析及加固摘要：增江大橋是50年代修建的一座舊橋，下部為木群樁基礎(chǔ)，上部為構(gòu)加掛梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低，出現(xiàn)了較嚴(yán)重的病害。通過對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)的病害進(jìn)行了檢查和分析，提出了同時(shí)采用外部粘貼纖維薄板法、體外預(yù)應(yīng)力法及增大主梁截面法等多種加固方法的綜合應(yīng)用，達(dá)到了提高設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的效果。關(guān)鍵詞：舊橋；病害分析；加固1概述增江大橋位于廣州市增城境內(nèi)，屬于國(guó)道324的原廣汕線主干通道，于1957年建成并投入運(yùn)營(yíng)，但加固前已無任何歷史資料可尋，只能以實(shí)測(cè)鑒定作為設(shè)計(jì)依據(jù)。該橋原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-10級(jí)，掛-60，人群荷載2.5/2，橋面凈寬為凈7+20.75，跨徑組合為12.6+733.0+1

2、2.6，全長(zhǎng)256.2。上部結(jié)構(gòu)是雙懸臂連續(xù)梁帶掛梁結(jié)構(gòu)組成的普通鋼筋砼梁式橋，橫截面為2片梁，中間以橫隔板連接，其立面布置見圖1(圖中加固架為加固后設(shè)置)。下部結(jié)構(gòu)為木群樁，雙柱式橋墩。隨著廣州東部經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，該橋長(zhǎng)期處于超載運(yùn)行狀態(tài)。圖1 橋梁立面圖（單位：cm）2病害調(diào)查與分析1999年11月進(jìn)行了全橋現(xiàn)狀檢查和主跨的橋梁動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)。2.1下部結(jié)構(gòu)（1）木群樁基礎(chǔ)：由于下游長(zhǎng)期挖砂，已致使主航道橋墩下的木群樁均暴露于空氣中12。其中，3#、4#、5#、6#等4個(gè)水下墩較為嚴(yán)重，最嚴(yán)重處外露約2.2。（2）墩、臺(tái)：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抽芯檢驗(yàn)，墩、臺(tái)的砼強(qiáng)度普遍較低，平均約17.0mpa，同時(shí)發(fā)現(xiàn)

3、局部砼表面有剝落現(xiàn)象。2.2上部結(jié)構(gòu)（1）主梁跨中腹板底部約1范圍內(nèi)有兩條橫向貫通裂縫（縫寬約0.30.5）。全跨其他位置也出現(xiàn)多條貫通梁底寬的橫向微裂縫（約80余條， 間距約1020，縫寬約0.18）。（2）主梁外側(cè)距兩邊支座約8處，各有兩道約3545的斜裂縫（裂縫最大寬度約0.15），裂縫自翼板根部延伸至主梁腹板底。主梁靠近兩邊支座處，自翼板根部向下延伸3條裂縫（裂縫長(zhǎng)100120，最大縫寬約0.13）。（3）橋面鋪裝層下有數(shù)條貫通橋面砼板的裂縫（最大縫寬約0.28）。該橋面瀝青鋪裝層已滿布坑槽，伸縮縫處連接不順，伸縮縫被雜物填充，已基本失效。（4）橋面動(dòng)荷載試驗(yàn)跨中撓度實(shí)測(cè)結(jié)果較大，各種

4、工況下的最大撓度為1.523。2.3主要病害原因引起主梁跨中、支座處頂部等位置橫向裂縫的主要原因是該橋的實(shí)際通行車輛已大大超過了原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，導(dǎo)致梁底彎曲，正彎矩過大，部分薄弱位置超過混凝土拉應(yīng)力而開裂。支座兩側(cè)斜裂縫（3545）的產(chǎn)生是由于通行車輛超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后支座位置處混凝土剪力過大，形成剪應(yīng)力破壞。同時(shí)，由于支座采用油毛氈，其彈性、延性等都比橡膠支座差，限制了主梁的伸縮變位，引起了附加內(nèi)力。同時(shí)橋面的不平順，又加大了行車荷載對(duì)梁體的沖擊力，從而加快了主梁的損壞。3橋梁加固該橋是五十年代建造的舊橋，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，經(jīng)過四十多年運(yùn)營(yíng)，已出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的病害。經(jīng)分析，本次加固不僅要對(duì)病害進(jìn)行處理

5、，還必須提高其承載能力，才能適應(yīng)目前的車輛荷載。3.1木群樁基礎(chǔ)加固對(duì)病害較嚴(yán)重的3#、4#、5#、6#4個(gè)水下墩，先進(jìn)行樁基加固。在每墩舊承臺(tái)下分別對(duì)稱施工設(shè)置4根水下砼灌注樁，再在其上設(shè)鋼筋砼加固平臺(tái)，托起舊承臺(tái)（新、舊承臺(tái)之間通過埋管壓漿緊密連在一起）。加固后，原有3#墩的局部微傾現(xiàn)象得到了糾正，達(dá)到了糾偏加固目的。另外，對(duì)1#、2#、7#、8#等陸上墩分別采用漿砌片石護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)。3.2上部構(gòu)造加固上部構(gòu)造梁體采用了體外預(yù)應(yīng)力模式，并采用了粘貼碳纖維薄板的復(fù)合加固方法，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和抗裂性，有效改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。3.2.1設(shè)置加固架為減小梁體跨中撓度，采用改變支座支點(diǎn)減小凈

6、跨距的梁體受力體系轉(zhuǎn)換法。墩頂采用了加固架，在本橋所有橋墩（2#8#墩）都設(shè)置了八字支撐架支撐主梁（圖2），0#臺(tái)9#臺(tái)沒有設(shè)置。此舉改變了結(jié)構(gòu)的受力體系，使一跨由原來的兩點(diǎn)支承變?yōu)樗狞c(diǎn)支承或三點(diǎn)支承（橋臺(tái)沒有設(shè)置八字支撐架，故兩邊跨為三點(diǎn)支承）。圖2 加固架設(shè)置3.2.2增大截面在每條梁肋的支座位置，每隔36cm鑿槽一道，槽內(nèi)插入剪力鋼筋（32），共計(jì)10根，使鋼筋直接參與抗剪。如折算為混凝土受剪面積，則整體抗剪能力大大增加，從而有效防止支座附近因抗剪強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生的3545的斜裂縫。另外，鑿除原橋面瀝青砼鋪裝，橋面重新滿布鋼筋，并與上述受剪鋼筋連接，澆筑c40砼。3.2.3體外預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)

7、懸臂體外預(yù)應(yīng)力的力學(xué)原理與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力基本相同，兩者的區(qū)別主要在于體外預(yù)應(yīng)力鋼筋與結(jié)構(gòu)一般不直接接觸，而是通過錨具和轉(zhuǎn)向塊作用于結(jié)構(gòu)上。一般的布筋形式有折線型或直線型，本工程采用折線型，如圖3所示。圖3 體外預(yù)應(yīng)力束布置圖結(jié)合加固后橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能，按加勁梁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算預(yù)應(yīng)力筋在外載作用下的應(yīng)力增量，按無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算抗裂性，按鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算撓度。（1）根據(jù)梁的控制截面的抗彎強(qiáng)度確定體外束面積。舊橋的承載力為汽車-10級(jí)，設(shè)定加固后橋梁所要達(dá)到的承載能力為汽車-20級(jí)，加固前后梁的承載力差值為251.7knm。根據(jù)此差值，初步估算每片梁采用4根25mm鋼筋，a=5.6cm2

8、。（2）計(jì)算控制應(yīng)力以及應(yīng)力增量。因體外預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)應(yīng)力筋要小，所以體外束的張拉控制應(yīng)力應(yīng)適當(dāng)降低，以避免體外束長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)下工作，改善加固體系結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。用體外束加固的簡(jiǎn)支梁，對(duì)加固后的混凝土梁截面應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，考慮了由活載引起的體外束中的應(yīng)力增量。3.2.4粘貼纖維薄板碳纖維復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastic）加固修復(fù)水泥混凝土結(jié)構(gòu)是近年來一種較新穎的加固技術(shù)。該技術(shù)是將碳素纖維薄板這種高性能纖維結(jié)構(gòu)應(yīng)用于土木工程，利用樹脂類材料粘貼于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件外表面，形成復(fù)合材料體cfrp，通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達(dá)到補(bǔ)

9、強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維的抗拉強(qiáng)度為建筑鋼材的十幾倍，而彈性模量與鋼材相當(dāng)，且施工性能與耐久性良好，是一種比較理想的加固修復(fù)材料。配套樹脂則包括底層樹脂、整平材料及粘貼樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則使碳纖維與混凝土形成一個(gè)整體，共同工作。在碳纖維加固施工中，纖維布與混凝土表面的粘結(jié)質(zhì)量直接影響加固的質(zhì)量和效果。因此，須嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。（1）表面打磨平整，并清理干凈。在梁轉(zhuǎn)角處打磨成150mm的圓弧，并且用整平材料處理平滑，防止碳纖維在折角處產(chǎn)生應(yīng)力集中。裂縫必須用填縫膠灌實(shí)。（2）由于梁混凝土表面部分出現(xiàn)剝落、蜂窩等現(xiàn)象，在打磨清理后

10、，表面不平，注意不得用高標(biāo)號(hào)砂漿修補(bǔ)，必須先涂底膠后用專用料fe修平，以確?；椎睦喂?。（3）控制涂膠的厚度和均勻性，以保證膠能浸透碳纖維布，均勻涂膠，保證粘貼的緊密性。如局部出現(xiàn)空鼓，可用針管注膠修補(bǔ)。（4）樹脂膠均為甲、乙料配制而成，在使用中充分注意樹脂膠的固化時(shí)間，施工中嚴(yán)格按說明書要求操作。（5）對(duì)于長(zhǎng)度大于3m的碳纖維采用分段粘貼的形式，并做好搭接標(biāo)志，保證碳纖維之間的搭接長(zhǎng)度150mm。在粘貼時(shí)用輥?zhàn)友乩w維方向反復(fù)滾壓捋出氣泡，使粘貼樹脂充分浸漬碳纖維。木橋跨中、1/4梁體處至梁端處腹板的側(cè)面和底面以及支座附近10m的翼板底面均粘貼雙層雙方向碳纖維薄板。4加固效果4.1靜載檢測(cè)在橋

11、梁加固后，對(duì)該橋主跨進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，分別采用了汽-10級(jí)、掛-60和汽-20級(jí)，掛-100兩種設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，以對(duì)加固效果進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。從圖4可見，該橋在施加原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)（汽-10級(jí)、掛-60）下，加固后結(jié)構(gòu)的撓度比加固前要小得多；而結(jié)構(gòu)在提高設(shè)計(jì)荷載等級(jí)（汽-20級(jí)，掛-100）后，撓度的增量也不大。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，橋梁加固后，達(dá)到了預(yù)期目的，有效地提高了通行能力。該橋至今已經(jīng)歷了3年多的行車檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)性病害。圖4 主跨跨中撓度實(shí)測(cè)曲線示意圖加固前，對(duì)舊橋進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，評(píng)定其跨中抗彎承載能力為679.90knm；而加固后，跨中抗彎承載能力達(dá)到了1059knm，抗彎能力增加了379.1knm。4.2動(dòng)載檢測(cè)對(duì)該橋主跨進(jìn)行的跑車動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。車速（km/h）圖5 不同車速下的第一階振動(dòng)頻率曲線由圖5可知，加固后各車速下實(shí)際所測(cè)的橋梁第一階豎向振動(dòng)頻率均有較大程度的提高，表明該橋的整體剛度在加固后有了較大程度的提高。5結(jié)語增江大橋是典型的六十年代橋梁，這些橋梁的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低，用鋼量少。因此，為確保在現(xiàn)代重荷載、大流量交通下的結(jié)構(gòu)安全和行車安全，又能在公路改造中充分保留利用這類型的橋梁，除了要及時(shí)處理病害外，還須采用先進(jìn)有效的方法提高其實(shí)際承載能力。本文就上述問題簡(jiǎn)要總結(jié)介紹了增江大橋應(yīng)用體外預(yù)應(yīng)力束配合粘貼碳纖維薄板等橋梁結(jié)