基于荷載試驗(yàn)的橋梁加固設(shè)計(jì)方法研究

基于荷載試驗(yàn)的橋梁加固設(shè)計(jì)方法研究

自20世紀(jì)90年代初以來，中國的橋梁建設(shè)取得了優(yōu)異的成績。然而，隨著橋梁結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)的問題日益突出。特別是近年來，橋梁安全事故頻發(fā)，尤其是近年來，新橋梁和舊橋發(fā)生了重大安全事故，如倒塌和嚴(yán)重裂縫。因此，我國的橋梁建設(shè)進(jìn)入了新、改造、維修的過渡階段，橋梁的重建和加固任務(wù)越來越艱巨。橋梁結(jié)構(gòu)自重大,一般均采用帶載加固。構(gòu)件自重及先期恒載產(chǎn)生的內(nèi)力由原結(jié)構(gòu)承擔(dān),活載(車輛荷載)及后加恒載產(chǎn)生的內(nèi)力由加固后的組合截面共同承擔(dān),加固設(shè)計(jì)計(jì)算必須考慮分階段受力的影響,這是橋梁加固設(shè)計(jì)區(qū)別于一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)。鑒于橋梁加固設(shè)計(jì)的特殊性,本文以某高速公路立交樞紐工程的加固為例,提出通過橋梁荷載試驗(yàn)來檢驗(yàn)橋梁加固的實(shí)際效果,為橋梁加固方法的合理應(yīng)用提供良好的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。1橋梁加固方法的分類和技術(shù)特點(diǎn)橋梁加固的方法很多,從工作原理上可劃分為被動加固和主動加固兩大類。1.1復(fù)合纖維材料加固在被加固構(gòu)件的受拉區(qū)(或抗剪薄弱區(qū))直接增設(shè)抗拉(或抗剪)補(bǔ)強(qiáng)材料,例如:補(bǔ)焊鋼筋、粘貼鋼板、粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維材料(碳纖維、芳綸纖維)等;在被加固構(gòu)件的受壓區(qū)加混凝土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),例如加厚橋面板等;增加輔助構(gòu)件,改變結(jié)構(gòu)體系,以調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力,減輕原梁負(fù)擔(dān)等。這類加固方法從作用原理上屬于被動加固范疇。后加補(bǔ)強(qiáng)材料被動受力,只承擔(dān)活載(車輛荷載)和后加恒載引起的內(nèi)力。1.2加固梁體預(yù)應(yīng)力對布置在被加固構(gòu)件受拉區(qū)(或抗剪薄弱區(qū))的后加補(bǔ)強(qiáng)材料施加預(yù)應(yīng)力,形成預(yù)應(yīng)力加固系統(tǒng),例如:體外預(yù)應(yīng)力加固和采用錨固于被加固梁體上的預(yù)應(yīng)力筋,然后噴注高性能抗拉復(fù)合砂漿,將其與被加固梁體粘結(jié)為一體的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固等。從工作原理上講,預(yù)應(yīng)力加固屬于主動加固,后加補(bǔ)強(qiáng)材料主動受力,靠預(yù)加力的作用,改善原結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài),間接達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)某高速公路立交樞紐工程的加固包括主線橋與匝道橋,本文以主線橋的一聯(lián)(30m+40m+30m)現(xiàn)澆變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和匝道橋的一聯(lián)4×28m現(xiàn)澆等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的加固為例。主線橋的箱梁橫斷面為單箱兩室(見圖1),底板寬7.6m,頂板寬11.8m,兩側(cè)翼緣懸臂長2.1m?？缰辛焊?.6m,中墩處梁高2.5m,頂板厚20cm,底板厚20~60cm,腹板厚40~55cm。匝道橋的箱梁橫斷面為單箱單室(見圖2),底板寬4.6m,頂板寬9.3m,兩側(cè)翼緣懸臂長2.35m。梁高1.6m,頂板厚22cm,腹板厚40~60cm;底板厚25~45cm。該橋箱梁跨中區(qū)段底板存在橫橋向裂縫,腹板存在豎向裂縫;且在靜載試驗(yàn)過程中,裂縫進(jìn)一步開展,導(dǎo)致橋梁實(shí)測撓度與應(yīng)力均大于計(jì)算值;動載試驗(yàn)的應(yīng)變動態(tài)增量較通常情況偏大,因此對該橋進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。主線橋按B類構(gòu)件進(jìn)行加固,采用主動加固(體外預(yù)應(yīng)力加固體系)與被動加固(粘貼鋼板和粘貼碳纖維布)相結(jié)合的方法進(jìn)行加固,加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:(1)在邊跨箱梁內(nèi)增設(shè)4束7ΦS15.2無粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力鋼束,在中跨箱梁內(nèi)增設(shè)6束無粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力鋼束。(2)在箱梁底板上粘貼8條寬30cm的6mm厚鋼板,然后在鋪設(shè)一層直徑3.2mm不銹鋼絞線網(wǎng)片并涂一層3cm厚滲透性聚合砂漿。(3)在箱梁腹板外側(cè)面粘貼2條長13m、寬50cm、厚0.167mm的碳纖維布。(4)施工順序:先增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線,再粘貼腹板碳纖維布,然后進(jìn)行底板粘貼鋼板,最后施工不銹鋼絞線聚合砂漿,見圖3。匝道橋按B類構(gòu)件進(jìn)行加固,采用先主動加固(體外預(yù)應(yīng)力加固體系),然后在荷載試驗(yàn)基礎(chǔ)上再進(jìn)行被動加固(粘貼鋼板),加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:(1)在箱梁內(nèi)布置4束7ΦS15.2無粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力鋼束。(2)在箱梁的底板上粘貼27條寬10cm的6mm厚鋼板條,在兩側(cè)腹板上各粘貼7條寬10cm的6mm厚鋼板條,見圖4。(3)施工順序:先增設(shè)箱梁內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線,荷載試驗(yàn)后再粘貼鋼板條。3加固后的負(fù)載試驗(yàn)本文通過對橋梁加固前后在相同試驗(yàn)荷載作用下的撓度與裂縫寬度的對比來評價橋梁的加固效果。3.1加固前、后的撓度結(jié)果分析主線橋的荷載試驗(yàn)包括加固前和加固后兩次試驗(yàn),加固前后實(shí)測撓度及其與計(jì)算值的對比情況見表1。主線橋中跨跨中底板橫橋向裂縫加固前后在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測裂縫寬度對比情況見表2。由表1可知,加固后邊跨與中跨的實(shí)測撓度均比加固前明顯降低,且加固前中跨跨中實(shí)測撓度值大于計(jì)算值,而加固后中跨跨中實(shí)測撓度值小于計(jì)算值,表明加固后結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力滿足檢測規(guī)范要求。由表2可知,由于體外預(yù)應(yīng)力束的作用,加固后裂縫的初始寬度閉合了0.02mm;加固后裂縫寬度的活載增大值比加固前明顯減少,且加固后恒活載裂縫總寬小于規(guī)范規(guī)定的B類構(gòu)件裂縫寬度允許值0.15mm。由此說明,主線橋通過此次主動加固與被動加固相結(jié)合的加固方式,提高了橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力,并使橋梁的使用功能及耐久性均得到了有效的補(bǔ)充。3.2增強(qiáng)板豎向裂縫在荷載作用下的穩(wěn)定性匝道橋的荷載試驗(yàn)分兩次進(jìn)行,第一次為主動加固(增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力束)后,第二次為被動加固(粘貼鋼板條)后。加固前后實(shí)測撓度及其與計(jì)算值的對比情況見表3。匝道橋邊跨跨中區(qū)段的底板橫橋向裂縫和腹板豎向裂縫分別在兩次加固后的試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)測裂縫寬度對比情況見表4。由表3可知,增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力束和粘貼鋼板條均能提高橋梁結(jié)構(gòu)的剛度,即能降低橋梁在荷載作用下的撓度值,從而提高橋梁的承載能力。由表4可知,增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力束對于限制裂縫的開展效果不明顯,而粘貼鋼板條能有效地限制裂縫的開展,使得裂縫寬度的活載增大值明顯減少,使得恒活載裂縫總寬小于規(guī)范規(guī)定的允許值。由此說明,匝道橋經(jīng)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力束加固后,結(jié)構(gòu)的承載能力得到了有效提高,但不能限制裂縫的開展,而粘貼鋼板條后,裂縫在活載作用下的變化受到明顯限制。因此,兩次加固的配合作用,有效提高了橋梁的承載能力和耐久性。4對橋梁結(jié)構(gòu)的進(jìn)行合理的加固方式,提高了橋梁結(jié)構(gòu)的使用功能,提高了橋梁耐久性綜上所述,增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力束的主動加固方式能有效地提高橋梁的承載能力,也能使裂縫寬度在加固后產(chǎn)生閉合,卻不能有效限制裂縫在活載作用下的開展情況,而粘貼鋼板的被動加固方式卻能