预应力连续箱梁桥加固设计及验算

张胜



预应力连续箱梁桥加固设计及验算

张胜

(长沙理工大学土木与建筑学院, 湖南长沙, 410082)

某预应力连续箱梁桥运营15年后, 箱梁内外出现了较多的裂缝、钢筋锈蚀和台后填土沉降等病害, 已影响桥梁结构的正常使用和安全。根据该桥的质量检测报告, 提出了箱梁顶板采用增厚钢筋混凝土、箱室顶板内表面采用粘贴钢板和碳纤维相结合以及箱梁腹板粘贴钢板的加固方法。通过理论计算和荷载试验对加固后的桥梁承载力进行了验算和检测, 结果表明, 结构承载力和刚度都有明显地提高, 能保证桥梁的正常使用。

预应力连续箱梁桥; 病害分析; 维修加固

公路运输系统中, 桥梁的作用不容忽视。我国改革开放后, 公路桥梁的建设飞速发展, 进行了一大批现代化桥梁的建设。当前我国交通运输中普遍超荷现象严重, 加上长期使用荷载和环境因素的作用, 使得一些桥梁的力学性能、结构安全性和桥梁耐久性退化[1–4]。大量桥梁出现了不同程度的耐久性问题, 存在着安全隐患[5–7], 不能满足现有交通的要求。鉴于资金短缺和时间的因素, 对病害桥梁难以拆除重新再建。世界各地广泛使用的方法是对老桥进行适当的加固和改造, 以保证桥梁更长时间的安全运行。通常情况下, 对桥梁进行加固改造, 费用只有新建桥梁的10%～20%, 且对桥上运输或桥下通航不产生影响[8]。如何对现有安全性较低的桥梁进行有效可靠的加固, 是我国桥梁建设面临的一个挑战。因此, 旧桥加固对我国桥梁建设意义重大, 同时也存在很大的发展空间[9–10]。

本文针对某预应力连续箱梁桥在运营期间出现的病害, 提出了一套有效的加固方案, 对同类型桥梁的加固有指导和借鉴作用。

1 工程概况

某桥总长250.9 m, 桥面总宽16.0 m。主桥为7跨等截面预应力混凝土连续箱梁, 截面采用双箱双室截面, 支座处设80 cm厚横梁, 横梁为单箱3室, 纵向预应力筋为直线束, 无横向预应力筋, 引桥为1跨预应力T梁。桥的主要参数为: 主桥跨径布置, 25 + 25 + 40 + 45 + 40 + 40 + 35 (m); 引桥跨径布置, 1 × 24.8 m; 桥面宽度, 全宽16.0 m, 横向布置为2 × 1.5 m人行道+ 12 m行车道+ 2 × 0.5 m防撞护栏; 桥面纵坡小于3%, 横坡1.0%; 活载等级, 公路Ⅰ级, 人群荷载3.5 kN/m。主桥立面和横截面布置分别如图1和图2所示。

图1 桥梁立面图(单位: cm)

(a) 箱梁横截面尺寸 (b) 1/2 T梁横截面尺寸

图2 桥梁横截面(单位: cm)

2 老桥质量现状

2.1 主要病害

桥梁病害较多, 主要有: (1) 箱梁内出现较多的裂缝, 斜裂缝主要出现在支座附近及跨中四分点附近, 宽度普遍较大, 最大宽度约为0.226 mm, 横向裂缝主要出现在跨中处, 大部分延伸至腹板; (2) 箱室顶板存在顺桥向裂缝, 部分箱室内存在积水; (3) 支座横隔板和中横隔板上部开裂严重; (4) 两端桥台开裂渗水严重, 存在较大面积的护坡破损; (5) 桥台位置的支座开裂变形已失去功能; (6) 主梁裂缝超限, 属于D级桥梁。

2.2 病害成因

针对桥梁不同位置的裂缝进行分析, 其可能产生的原因如下。

(1) 主梁跨中底板横向裂缝。外荷载大于最大设计荷载, 加上由于混凝土收缩徐变作用导致预应力损失较大, 因此, 在外荷载作用下, 底部拉应力大于混凝土能承受的最大拉应力。

(2) 主梁支座附近、四分点附近斜裂缝。由于箍筋配置较少, 竖向预应力损失, 导致在外荷载作用下, 主拉应力大于混凝土能承受的最大拉应力。

(3) 横隔板及其附近顶板出现的较多裂缝。跨中及梁端横隔板抗扭刚度偏弱, 横隔板中横、竖向预应力损失较大。

(4) 其他裂缝。部分裂缝是由于施工不当形成的干缩裂缝, 如浇筑的混凝土没有按标准养护, 混凝土由于收缩作用导致了混凝土开裂。

3 主要维修加固措施

由该桥检测资料可知腹板和顶板均需加固, 采用加固方案如下。

(1) 主桥箱梁顶板加固。对于箱室顶板顶面先凿除现有铺装层, 然后采用新加7～13 cm的钢筋混凝土叠合层来增加箱梁顶板的厚度以增强承载力的方法进行加固处理, 加固处理完后重新铺装7 cm厚沥青混凝土路面(图3)。对于箱室顶板底面采用在箱室内粘贴2层碳纤维布进行耐久性补强处理(图4)。对于箱室横隔梁采用粘贴8 mm和10 mm的钢板进行加固处理(图5)。

(a) 平面图布置图 (b) 1/2横截面布置图

图3 箱梁顶板植筋加固示意图(单位: cm)

(a) 平面布置图 (b) 1/2横截面布置图

图4 内箱室粘贴碳纤维加固示意图(单位: cm)

图5 横隔板加固示意图(单位: cm)

(2) 主桥箱梁腹板加固。对于箱室腹板采用在箱室内粘贴8 mm的钢板进行加固处理, 具体加固如图6所示。

(a) 平面布置图 (b) 1/2横截面布置图

图6 内箱室粘贴钢板加固示意图(单位: cm)

4 加固结构验算及效果

结构维修加固后, 结构上增加的荷载主要是新加的箱梁顶板7～13 cm钢筋混凝土叠合层和粘贴钢板重量, 约为2.0 kN/m。

4.1 抗剪加固承载力验算

根据《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22-2008)可知, 只需验算最大剪力截面跨度为45 m的横梁边缘截面(腹板总宽度为160 cm)及腹板由宽变窄的边界截面(腹板总宽度为120 cm), 即支座截面和变截面。支座截面的剪力设计值为0d= 13 466.7 kN; 腹板变截面位置的剪力设计值为0d¢= 10 957.5 kN。结构抗剪能力可按《公路桥梁加固设计规范》的要求进行计算, 即

0d≤ 0.43 × 10-31220cs((2 + 0.6)cu0.5svsv)0.5+ 0.75 × 10-3sdsb+vbd2, (1)

其中,

vb= 0.8sv2/(sv1+ 0.707sbsv2), (2)

式中:0为桥梁结构的重要性系数;d为加固后构件验算截面剪力设计值;d2为加固后由后期恒载、车辆荷载及其他可变荷载作用下的剪力组合设计值;1为异号弯矩影响系数;2为受压翼缘的影响系数;2为加固后梁斜截面顶端正截面处腹板宽度(mm);0为加固后梁斜截面受压端正截面的有效高度(mm);cs为与原梁斜裂缝有关的修正系数;sv为原梁斜截面内箍筋配筋率;sv为原梁箍筋抗拉强度设计值(MPa);sd为普通弯起钢筋的抗拉强度设计值(MPa);vb为修正系数;sv1为原梁斜截面内配置在同一截面的箍筋各肢总截面面积(mm2);sv2为与斜裂缝相交的同一截面后增箍筋各肢总截面面积(mm2)。

对于支座截面: 由式(1)和式(2)有0d≤ 0.43 × 10-3× 0.9 × 1.1 × 1 600 × 2 500 × 0.835 × ((2 + 0.6 × 2.5) × 500.5× 0.009 04 × 280)0.5+ 0 + 0.408 × 6 961.6 = 14 093 kN > 13 466.7 kN (设计值)。

对于变截面: 由式(1)和式(2)有0d¢≤ 0.43 × 10-3× 0.9 × 1.1 × 1 200 × 2 500 × 0.835 × ((2 + 0.6 × 2.5) × 500.5× 0.009 04 × 280)0.5+ 0 + 0.546 × 5 902 = 11 663 kN > 10 957.5 kN (设计值)。

因此, 由以上验算可知, 支座截面和变截面的剪力均满足规范要求。

4.2 横向加固验算

顶板加固后, 根据受力状态, 分为在截面受拉区和受压区增设现浇混凝土加厚层分别验算。

4.2.1 在截面受拉区增设现浇混凝土加厚层的验算

对结构采用最不利布载原则进行验算, 根据《公路桥梁加固设计规范》, 对钢筋混凝土受弯构件的受拉区进行抗弯加固时, 其正截面受弯承载力(图7)应按以下公式计算,

0d≤cd1(0-/2) +sd1¢s1¢(0-s1¢), (3)

其中,

式中:d为弯矩设计值;cd1为原构件混凝土轴心抗压强度设计值;sd1、sd1¢分别为原构件纵向普通钢筋的抗拉强度设计值和抗压强度设计值;s1、s1¢分别为原构件受拉区和受压区纵向普通钢筋的截面面积;s2为新增纵向普通钢筋的截面面积;2为加固后构件截面宽度;0为加固后截面有效高度;02为新增纵向普通钢筋的合力点至截面受压边缘的距离;为等效矩形应力图形的混凝土受压区高度;s2为新增纵向普通钢筋的拉应力;s2为新增纵向普通钢筋的弹性模量。

图7 受弯构件的抗弯承载力

由式(3)和式(4)可得cd1(0-/2) +sd1¢s1¢(0-s1¢) = 473.9 kN·m ≥0d= 94.3 kN·m, 因此加固后截面承载力满足规范要求。

4.2.2 在截面受压区增设现浇混凝土加厚层的验算

对于受压区增设现浇混凝土的弯矩值应按组合构件取值, 根据规范其弯矩设计值按下面公式计算:

d=1Gd+2Gd+2Qd。 (5)

式中:1Gd为第1阶段预制构件和现浇混凝土层自重产生的弯矩设计值, 取荷载标准值乘以荷载效应分项系数1.2;2Gd为第2阶段桥面自重产生的弯矩设计值, 取荷载标准值乘以荷载效应分项系数1.2;2Qd为第2阶段可变作用(或荷载)产生的弯矩组合设计值, 其作用(或荷载)效应分项系数按规范取值。

由式(3)～(5)可得,=cd1(0-/2) = 22.4 × 1 000 × 102.4 × (258.8 – 102.4/2) = 476.1 kN·m ≥0d= 35.7 kN·m (满足规范要求)。

4.2.3 加固后截面尺寸验算

钢筋混凝土受弯构件在截面受拉区加固和增大梁肋厚度后, 其截面尺寸应符合下列要求:

0d1/(101) +0d2/(20) ≤ 0.51 × 10-3cuk0.5(6)

取主跨/4截面进行计算, 有0d1/(101) +0d2/(20) = 1.1 × 23.8/(1 000 × 373) + 1.1 × 155.5/ (1000 × 418.8) = 0.000 478 6 ≤ 0.51 × 10-3cuk0.5= 0.003 606 2 (满足规范要求)。

4.3 加固后荷载试验

对结构加固效果采用荷载试验来检验, 静力荷载试验共拟定了8个试验工况, 分别为: 工况1, 第四跨跨中最大正弯矩, 正载; 工况2, 第四跨跨中最大正弯矩, 偏载; 工况3, 第七跨跨中最大正弯矩, 正载; 工况4, 第七跨跨中最大正弯矩, 偏载; 工况5, 3#墩顶最大负弯矩, 正载; 工况6, 3#墩顶最大负弯矩, 偏载; 工况7, T梁跨中最大正弯矩, 正载; 工况8, T梁跨中最大正弯矩, 偏载。试验测点布置: 箱梁控制截面为/4、/2及3/4截面; 简支T梁控制截面为/2。截面应变和挠度测试结果分别如表1和表2所示。由试验结果(表1、表2)可知, 加固后的结构承载力满足规范要求。

表1 各工况下箱梁各测点挠度和应变理论值与实测值

注: S1—左幅/4截面(墩顶中点), S2—右幅/4截面(墩顶中点), S3—左幅/2截面, S4—右幅/2截面; 挠度为正表示向下挠曲变形, 为负表示向上挠曲变形; 应变为正表示受拉; “-”表示没有测试。(表2同)

表2 各工况下T梁各测点挠度和应变理论值与实测值

续表2

73#11.5813.920.831131310.8683#8.1013.540.601391560.89 4#13.3214.380.931051160.914#6.9111.320.6169770.90 5#9.8613.920.711171310.895#3.618.670.4232390.82 6#7.4912.600.5968830.826#1.035.960.1713190.68 7#---18270.677#---9140.64

5 结论

本文所述的对预应力连续箱梁桥进行加固方案, 采用新加7～13 cm的钢筋混凝土叠合层对箱梁顶板进行加固, 在箱室顶板底面粘贴2层碳纤维布进行耐久性补强, 对箱室横隔梁采用粘贴8 mm和10 mm的钢板进行加固处理。对箱梁腹板采用在箱室内粘贴8 mm的钢板进行加固。经计算分析知, 加固增加的荷载对结构受力影响较小, 加固后主梁下缘混凝土拉应力有明显减小, 截面主拉应力也有明显减小, 抗剪能力大幅度提高, 粘贴的钢板也使结构刚度得到了提高。由此可见采用本文加固方案对预应力连续箱梁桥进行加固效果明显, 对类似工程具有很好的借鉴和指导作用。

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(责任编校: 江河)

Design plan and checking calculation for the reinforcement of prestressed continuous box girder bridges

Zhang Sheng

(School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410082, China)

A prestressed continuous box girder bridge appeared various diseases in fifteen years, for instance, cracks of the inside and outside surface of the box girder, steel corrosion and the obvious settlement of filling at back abutment. The disease has affected the normal use and safety of the bridge structure. Based on the testing reports of the bridge, a feasible strengthening method is put forward: The roof of box girder is strengthened by the thick reinforced concrete; The top plate of the box is strengthened by steel plate and carbon fiber, and box girder webs is strengthened by steel plate. The carrying capacity of the reinforced bridge is checked by the theoretical calculation and the load test. The results show that the bearing capacity and stiffness of the structure are obviously improved and can meet the requirements of normal use.

prestressed continuous box girder bridge; disease analysis; maintenance and reinforcement

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.04.015

TU 398

1672–6146(2016)04–0063–06

张胜, 370626049@qq.com。

2016–4–26