基于荷載試驗的橋梁加固設計方法研究

自20世紀90年代初以來，中國的橋梁建設取得了優(yōu)異的成績。然而，隨著橋梁結構的不斷發(fā)展，橋梁結構的問題日益突出。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，如倒塌和嚴重裂縫。因此，我國的橋梁建設進入了新、改造、維修的過渡階段，橋梁的重建和加固任務越來越艱巨。橋梁結構自重大,一般均采用帶載加固。構件自重及先期恒載產(chǎn)生的內(nèi)力由原結構承擔,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,加固設計計算必須考慮分階段受力的影響,這是橋梁加固設計區(qū)別于一般結構設計的最大特點。鑒于橋梁加固設計的特殊性,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來檢驗橋梁加固的實際效果,為橋梁加固方法的合理應用提供良好的工程實踐經(jīng)驗。1橋梁加固方法的分類和技術特點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復合纖維材料加固在被加固構件的受拉區(qū)(或抗剪薄弱區(qū))直接增設抗拉(或抗剪)補強材料,例如:補焊鋼筋、粘貼鋼板、粘貼高強復合纖維材料(碳纖維、芳綸纖維)等;在被加固構件的受壓區(qū)加混凝土進行補強,例如加厚橋面板等;增加輔助構件,改變結構體系,以調(diào)整結構內(nèi)力,減輕原梁負擔等。這類加固方法從作用原理上屬于被動加固范疇。后加補強材料被動受力,只承擔活載(車輛荷載)和后加恒載引起的內(nèi)力。1.2加固梁體預應力對布置在被加固構件受拉區(qū)(或抗剪薄弱區(qū))的后加補強材料施加預應力,形成預應力加固系統(tǒng),例如:體外預應力加固和采用錨固于被加固梁體上的預應力筋,然后噴注高性能抗拉復合砂漿,將其與被加固梁體粘結為一體的有粘結預應力加固等。從工作原理上講,預應力加固屬于主動加固,后加補強材料主動受力,靠預加力的作用,改善原結構的工作狀態(tài),間接達到加固補強的目的。2結構特點、設計要點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)澆變截面預應力混凝土連續(xù)箱梁和匝道橋的一聯(lián)4×28m現(xiàn)澆等截面預應力混凝土連續(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;且在靜載試驗過程中,裂縫進一步開展,導致橋梁實測撓度與應力均大于計算值;動載試驗的應變動態(tài)增量較通常情況偏大,因此對該橋進行加固補強。主線橋按B類構件進行加固,采用主動加固(體外預應力加固體系)與被動加固(粘貼鋼板和粘貼碳纖維布)相結合的方法進行加固,加固設計要點如下:(1)在邊跨箱梁內(nèi)增設4束7ΦS15.2無粘結體外預應力鋼束,在中跨箱梁內(nèi)增設6束無粘結體外預應力鋼束。(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:先增設體外預應力鋼絞線,再粘貼腹板碳纖維布,然后進行底板粘貼鋼板,最后施工不銹鋼絞線聚合砂漿,見圖3。匝道橋按B類構件進行加固,采用先主動加固(體外預應力加固體系),然后在荷載試驗基礎上再進行被動加固(粘貼鋼板),加固設計要點如下:(1)在箱梁內(nèi)布置4束7ΦS15.2無粘結體外預應力鋼束。(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:先增設箱梁內(nèi)體外預應力鋼絞線,荷載試驗后再粘貼鋼板條。3加固后的負載試驗本文通過對橋梁加固前后在相同試驗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、后的撓度結果分析主線橋的荷載試驗包括加固前和加固后兩次試驗,加固前后實測撓度及其與計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荷載作用下的實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測撓度均比加固前明顯降低,且加固前中跨跨中實測撓度值大于計算值,而加固后中跨跨中實測撓度值小于計算值,表明加固后結構的剛度和承載能力滿足檢測規(guī)范要求。由表2可知,由于體外預應力束的作用,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合的加固方式,提高了橋梁結構的承載能力,并使橋梁的使用功能及耐久性均得到了有效的補充。3.2增強板豎向裂縫在荷載作用下的穩(wěn)定性匝道橋的荷載試驗分兩次進行,第一次為主動加固(增設體外預應力束)后,第二次為被動加固(粘貼鋼板條)后。加固前后實測撓度及其與計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荷載作用下的實測裂縫寬度對比情況見表4。由表3可知,增設體外預應力束和粘貼鋼板條均能提高橋梁結構的剛度,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,增設體外預應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)增設體外預應力束加固后,結構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對橋梁結構的進行合理的加固方式,提高了橋梁結構的使用功能,提高了橋梁耐久性綜上所述,增設體外預應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