基于桥梁承载能力评定的桥梁加固

韩宏光, 谷丹丹

[1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司辽宁分公司,辽宁 沈阳 110000;2.沈阳工学院,辽宁 沈抚新区 113122]

0 引 言

近年来,在大力发展交通事业的理论指导下,中国大桥建造水平以使世界所惊叹的高规格标准和速度而迅猛发展,并取得了巨大成就。由于我国经济的高速发展,机动车及重型车辆的数量不断增加,这对路面和大桥而言也是一个巨大的压力,后果也不言而喻,如今旧的桥梁发现出来的问题,病害极其类似、破坏严重,桥梁也在长时间的受病害影响下工作,同时面临着刚度不够、耐久性和安全系数过低的隐患。

随着经济的快速发展,交通量的日益增多,较多服役桥梁出现不同的病害,而根据桥梁养护等相关规范可知,这样的桥梁可以通过后期的维修加固,实现桥梁的正常运营通行。目前桥梁加固设计的流程是首先进行桥梁实际情况的调查分析,搜集桥梁原设计资料,对桥梁承载能力进行评定,最后通过静力荷载试验和动力荷载试验模型桥梁真实受力情况,最后进行桥梁加固方案的设计。[1]该种方法虽然能够较准确、真实地模拟桥梁实际受力情况,但是静载和动载试验需要投入更多的时间成本和经济成本[2]。本文旨在研究通过外观质量状况和桥梁承载能力进行加固设计的可行性。

1 工程概况

该桥桥跨布置为3×13 m装配式钢筋混凝土箱梁,下部使用柱式桥台桥墩,桩基础,桥梁全长42.8 m。此桥竣工于1993年,设计荷载汽-超20,挂-120;13 cm厚防水混凝土桥面铺装,桥宽净11 m+2×0.5 m防撞护栏。

全桥桥面混凝土存在不同程度的破损,铺装的主要病害为纵、横、网状裂缝,桥面处以及伸缩缝处混凝土有破损。两侧设置栏杆,栏杆也出现相应损坏。支座也出现锈蚀现象。桥梁下部靠近支座处存在多处渗水泛白现象,湿接缝连接出现裂纹,桥梁底部出现轻微纵向裂缝。

2 旧桥承载能力计算

旧桥根据《通规》和《标准》采用公路-Ⅱ级荷载进行验算,利用MIDAS Civil、MIDAS CDN建立有限元分析模型。根据确定的修正系数,通过对抗力的修正,对桥梁承载能力进行评定。

2.1 承载能力评定系数[3]

2.1.1 检算系数Z1

对于承载能力检算系数Z1,依据规范,结合检测评定结果对结构模态参数、混凝土强度、桥梁外观质量这三项指标进行取值,再通过计算,得到旧桥检算系数Z1为1.115,见表1。

表1 Z1计算表

2.1.2 承载能力恶化系数ξe

承载能力恶性系数ξe是指综合考虑评价期内,该桥结构质量情况因继续衰减而变坏所带来的不良效果,使用承载能力恶性系数ξe来表达不良效果可能导致的抗力下降。根据《公路桥梁承载力检测评定法规》(JTG/TJ21—2011),计算出旧桥ξe为0.055 8,见表2。

表2 承载能力恶化系数ξe评定表

2.1.3 截面折减系数ξc

对于砖、石及其水泥构造和配筋混凝土结构构件,应当充分考虑由建筑材料风化、碳化、自然状态的破坏所导致的结构构件截面缺失,包括由钢材腐蚀脱落所导致的钢材有效截面减小,对结构截面抗力产生负面影响。在运算结构抗力效应时,可以使用该系数确定此影响,ξc为0.98,见表3。

表3 截面折减系数ξc评定表

2.1.4 承载能力调整系数α

按照规范中的规定,由查表得到构件截面折减系数ξc(表4)和钢筋截面折减系数ξs(表5),综合得到承载能力调整系数α=0.98。

表4 截面折减系数ξc参照表

表5 配筋混凝土钢筋截面折减系数ξs参照表

2.1.5 活载影响修正系数ξq的确定

通过现场照片,两侧路面状况均正常,且汽车的行驶车速也正常,代表道路流量已接近设计道路交通量,而相对于实际道路交通量的高活载影响系数ξq1即为1.0,有部分严重超载车辆通过,依据当地交通运输管理机构的道路交通量统计报告,重车混入率α< 0.3,所以ξq2取1.05,以后轴重大于车辆检算荷载的最大轴载占比β(β<5%),应取ξq3为1.0。可得到修正系数ξq=(ξq1ξq2ξq3)1/3=1.016 4。

2.2 承载能力极限状态

桥梁承载能力极限状态评定,通过确定修正系数,对极限状态方程中的构件抵抗能力效益和荷载效应进行修正,进而比较判断结构的承载能力状况。

根据《承载能力评定规程》,对桥梁进行承载能力评定,极限状态评定按以下公式计算:

γ0S≤R(fd,ξcadc,ξsads)Z1(1-ξe)

(1)

式中:γ0为结构的重要性系数;S为荷载效应函数;R为结构承载力函数;fd为混凝土强度设计值;adc为构件混凝土几何参数值;ads为构件钢筋几何参数值;ξc为配筋混凝土结构截面折减系数;ξs为钢筋截面折减系数;Z1为承载能力检算系数;ξe为承载能力恶化系数。

2.3 配筋混凝土桥梁正常使用极限状态

限制应力见式(2):

σd

(2)

式中:σd为活载影响修正系数的截面应力计算值;σL为应力限值;Z1为承载能力检算系数。

荷载作用下的变形见式(3):

fdl

(3)

式中:fdl为计算活载影响修正系数的荷载变形计算值;fL为变形限值;Z1为承载能力检算系数。

各类荷载组合作用下裂缝宽度满足见式(4):

δd

(4)

式中:δd为活载影响修正系数的短期荷载变形计算值;δL为变位限值;Z1为承载能力检算系数。

运用《混规》和《承载能力评定规程》的相关规定[4-6],本工程项目承载力评价结论见表6。

表6 评定结果汇总表

对旧桥进行承载能力极限状态和正常使用极限状态验算,该桥裂缝宽度、斜截面抗剪、正截面抗弯不满足要求,旧桥目前状态不满足公路-Ⅱ级荷载要求。

本桥加固设计拟采用MPC高韧性聚合物进行加固。

3 加固后桥梁承载能力计算

MPC复合材料所加固的桥梁,是由水泥、钢筋、纤维材料等组成的复杂受力结构。和未经加强的桥比较,经过MPC复合物加强后的主梁在横断面上的拉力主要由钢筋材料和MPC复合物中的纤维共同承受,这样就等于在主桥内添加了大量钢筋材料。但目前人们通常根据应力等效原则,把MPC复合材料大致地折算为一定量的钢筋材料,再根据普通钢筋混凝土桥梁标准进行承载力研究。

以其中一片主梁为例,按照弹性模量公式E=σ/ε,设MPC复合材料和钢筋协调的变形,则得εm=εs,再根据应力等效原则σm=σs,得Es=20Em(Es=2×105MPa,Em=1×104MPa),将MPC材料近似转化为3根直径18 mm的钢筋[7,8]。将所有梁体均添加相应的钢筋进行计算。加固后模型的其他参数与原桥相同。

3.1 承载能力极限状态计算

根据规范里的相关规定,加固后桥梁承载能力计算结果如下。

3.1.1 正截面抗弯验算

主梁抗弯计算结果见表7。

3.1.2 加固后主梁持久状况斜截面抗剪验算

主梁抗剪计算结果见表8。

表8 主梁抗剪计算表

根据上述结果可得,正截面抗弯、斜截面抗剪承载力有所提高,满足规范要求。

3.2 正常使用极限状态计算

3.2.1 加固后主梁使用阶段裂缝宽度验算

主梁裂缝宽度计算结果见表9。

表9 主梁裂缝计算表

3.2.2 加固后主梁使用阶段挠度验算

主梁挠度计算结果见表10。

表10 主梁挠度计算表

根据上述结果可知,裂缝宽度、挠度有所提高,满足规范要求。

内力计算结果汇总如下,见表11。

表11 评定结果汇总表

通过加固后由于截面刚度提高,在活载作用下主梁裂缝宽度明显下降。承载能力极限状态和正常使用极限状态满足规范要求,桥梁加固卓有成效。

通过计算可知,采用MPC高韧性聚合物对主梁进行加固,是可行的。结合《公路养护技术规范》(JTG H10—2009)、桥梁外观状况和上述内力计算结果对该桥的加固方法进行经济比选来确定。该桥维修加固措施如下:对主梁梁底裂缝运行MPC高韧性聚合物加固;桥面铺装采用重新铺装; 更换伸缩缝;修补桥下锥坡、护坡。

4 结 论

(1) 用有限元软件MIDAS Civil和CDN,对原桥进行内力验算。通过对旧桥的正截面抗弯、斜截面抗剪和裂缝等进行的评定验算,得到承载力不满足要求,需进行维修加固。依据相关规范,根据现状制定初步加固方案,该方案为MPC高韧性聚合物法加固,桥面铺装使用重新铺装。使用cdn软件对加固后桥梁的承载能力再次进行计算,得到模型的各项参数均符合要求。

(2) 通过结果对比,得知主梁采用MPC高韧性聚合物法加固是可以的。此加固方案能够达到增强桥梁承载力效果,使其满足公路-Ⅱ级的承载能力和正常使用要求。

(3) 通过桥梁承载能力计算,能够较有效地进行桥梁加固方案的确定,该方法计算理论明确、计算数据结果对比明显,不需要进行复杂的荷载试验,节约时间和成本,因此根据承载能力评定进行加固设计在工程中是可行的。