王龍輝

(廣東省廣建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣州 511455)

0 引言

我國(guó)橋梁總數(shù)已位居世界第一，成為名副其實(shí)的橋梁大國(guó)[1]。在橋梁建設(shè)快速發(fā)展的同時(shí)，由于環(huán)境荷載作用、材料老化、腐蝕效應(yīng)、疲勞效應(yīng)等自然因素的影響以及交通流量、重載交通的快速增加，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)損傷累積、抗力衰減甚至突發(fā)破壞，總體狀況不容樂(lè)觀[2]。其中，雙曲拱橋的狀況尤為突出，此類橋型在構(gòu)造及結(jié)構(gòu)體系方面存在先天技術(shù)缺陷，預(yù)制構(gòu)件零碎、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、整體性較差。目前該結(jié)構(gòu)形式已不再采用[3]，但仍有相當(dāng)數(shù)量早期建造的此類橋型仍處于在營(yíng)狀態(tài)，安全隱患較為突出，基本上巳全面進(jìn)入需維修加固的階段。

雙曲拱橋常用的加固方法有增大截面或改變截面形式、粘貼鋼板或纖維復(fù)合材料，以及增強(qiáng)橫向整體性等，這些方法已有較多工程應(yīng)用。當(dāng)有特殊車輛過(guò)橋(重車過(guò)橋)、對(duì)提升橋梁承載能力要求較高時(shí)，受材料特性、結(jié)構(gòu)形式或現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制，上述傳統(tǒng)加固方法存在一定的局限性[4-5]。粘貼鋼板或纖維材料法對(duì)雙曲拱橋的結(jié)構(gòu)剛度和承載力提高有限，不能滿足重車過(guò)橋的需求；鋼筋混凝土增大截面法提升雙曲拱橋承載力有保障，但其現(xiàn)場(chǎng)施工濕作業(yè)工作量大、施工周期長(zhǎng)、原結(jié)構(gòu)恒載增加較大，削減了原橋基礎(chǔ)承載力的富余量，甚至可能造成加固后運(yùn)營(yíng)過(guò)程中基礎(chǔ)承載力不足，此外構(gòu)件截面尺寸的增大對(duì)結(jié)構(gòu)使用凈空也有較大的影響[6-7]。

目前關(guān)于鋼混組合結(jié)構(gòu)的研究多集中于新建橋梁，具體的結(jié)構(gòu)形式有壓型鋼板混凝土組合板、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼混凝土組合梁和外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)[7]，而對(duì)鋼混組合結(jié)構(gòu)在既有橋梁的運(yùn)用研究較少涉及。翟玉華[9]通過(guò)立交橋維修加固實(shí)例介紹了“高強(qiáng)環(huán)氧灌漿料+鋼板”的施工工藝流程以及質(zhì)量控制要點(diǎn)。但關(guān)于“鋼板+灌漿料”在橋梁承載力加固的理論研究尚未見(jiàn)到報(bào)道。

本文結(jié)合雙曲拱橋承載力加固的工程實(shí)踐，從實(shí)際應(yīng)用研究的角度介紹“鋼板+灌漿料”鋼混組合結(jié)構(gòu)在舊橋加固中的應(yīng)用，為其他類似工程提供參考。

1 工程案例

1.1 工程概況

某能源有限公司發(fā)電設(shè)備的運(yùn)輸需經(jīng)過(guò)省道中的一座雙曲拱橋。該橋全長(zhǎng)40.2m，跨徑組合為2×12m，矢高2.3m，橋面寬8.6m，凈寬8.0m。主拱圈橫向布置7片普通鋼筋混凝土拱肋，縱橋向設(shè)置6道橫系梁，墩頂設(shè)置1個(gè)拱上腹拱，如圖1所示。

由于存在超設(shè)計(jì)使用荷載的情況(運(yùn)輸車輛車貨總重128t，如圖2所示)，需對(duì)該雙曲拱橋進(jìn)行維修加固。根據(jù)建設(shè)單位委托要求，維修加固后的雙曲拱橋需滿足短期內(nèi)重車在交通管制下沿橋梁中線行駛過(guò)橋的要求。

圖2 運(yùn)輸車輛

1.2 橋梁加固技術(shù)路線

根據(jù)該橋?qū)嶋H運(yùn)營(yíng)情況以及檢測(cè)結(jié)果，偏保守地認(rèn)為該橋現(xiàn)有承載能力滿足汽-15級(jí)荷載，但不能滿足設(shè)備運(yùn)輸車過(guò)橋的需求。

根據(jù)汽-15級(jí)的承載力，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)[10]計(jì)算方法，推算原橋縱向主受力鋼筋面積，以此為加固計(jì)算基礎(chǔ)，使加固橋涵滿足重車過(guò)橋的要求。

經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)使用，橋梁基礎(chǔ)沉降巳趨于穩(wěn)定且無(wú)檢測(cè)數(shù)據(jù)反映該橋基礎(chǔ)有沉降，經(jīng)復(fù)核，加固后該橋通行重車時(shí)基礎(chǔ)反力增加不足10%，增比不大，因此暫不考慮橋梁基礎(chǔ)的加固。

1.3 有限元加固計(jì)算分析

1.3.1 模型的建立

該橋?yàn)閮煽鐚?shí)腹式雙曲拱橋，根據(jù)雙曲拱橋結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)，該橋理論計(jì)算簡(jiǎn)化為無(wú)鉸拱受力模型。結(jié)構(gòu)靜力分析采用橋梁有限元軟件MIDAS/CIVIL進(jìn)行，采用梁格法進(jìn)行有限元建模，模型為696個(gè)梁?jiǎn)卧?92個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

1.3.2 荷載工況組合

在荷載輸入建模過(guò)程中，靜力荷載考慮了欄桿、填料及主拱圈自重、鋼混組合結(jié)構(gòu)自重，移動(dòng)荷載考慮了臨時(shí)交通管制下(封閉另一車道)沿道路中線行駛且行駛速度不超過(guò)5km/h的128t汽車荷載和雙車道偏載的汽-15級(jí)荷載。

該橋結(jié)構(gòu)加固的計(jì)算分析過(guò)程考慮了如下兩種工況：(1)主拱圈汽-15級(jí)荷載作用下的工況；(2)加固后交通管制情況下重型運(yùn)輸車輛過(guò)橋的工況。

工況1荷載作用為汽-15級(jí)荷載、自重(含原結(jié)構(gòu)自重、鋼混組合結(jié)構(gòu)自重)；工況2荷載作用為128t汽車荷載、自重(含原結(jié)構(gòu)自重、鋼混組合結(jié)構(gòu)自重)。兩組工況的承載能力極限狀態(tài)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)[12]進(jìn)行組合，考慮到加固后結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，128t汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.1。

1.3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

兩組工況下主拱圈拱肋的彎矩和剪力如圖4～圖7所示。

圖4 工況1拱肋彎矩(單位：kN·m)

圖5 工況2拱肋彎矩(單位：kN·m)

圖6 工況1拱肋剪力(單位：kN)

圖7 工況2拱肋剪力(單位：kN)

由圖4～圖7可知，重車過(guò)橋時(shí)拱肋跨中正彎矩和拱腳剪力、負(fù)彎矩都有不同程度的增加，故需對(duì)拱肋進(jìn)行承載力加固。

1.4 拱肋加固截面計(jì)算

為提升雙曲拱主拱圈的整體性，全橋拱肋和橫隔梁均采用鋼混組合加固(鋼板+灌漿料)的方式三面加厚5cm，并將拱肋和橫隔梁連接處的鋼板焊接為整體，如圖8和圖9所示。

圖8 鋼混組合結(jié)構(gòu)加固立面

圖9 鋼混組合結(jié)構(gòu)加固

根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T J22-2008)[14]中的加大截面法和粘貼鋼板加固法，進(jìn)行加固設(shè)計(jì)計(jì)算。該橋拱肋跨中截面及拱腳處截面驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可知，鋼混組合結(jié)構(gòu)加固后橋梁承載能力得到較大提高，滿足相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求。

表1 拱肋加固驗(yàn)算結(jié)果

1.5 施工工藝

鋼混組合結(jié)構(gòu)加大截面法利用錨栓將三面圍箍鋼板固定在原結(jié)構(gòu)，提高了施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝組合效率，同時(shí)使新增的鋼板與原結(jié)構(gòu)之間的連接變得更可靠[15]。

鋼混組合加大截面法的施工要點(diǎn)和主要工藝流程：混凝土表面鑿毛→鉆孔植筋→鋼板下料及表面處理→鋼板安裝固定→灌注灌漿料→檢驗(yàn)養(yǎng)護(hù)→防腐處理。施工過(guò)程的照片如圖10和圖11所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)安裝鋼板施工

圖11 加固施工完成后的橋梁

2 橋梁加固效果

橋梁加固工程施工完成后，根據(jù)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的荷載試驗(yàn)報(bào)告，表明該橋加固后在荷載試驗(yàn)作用下，工作性能良好，主拱圈處于彈性工作狀態(tài)，其承載能力滿足128t運(yùn)輸車輛在交通管制下過(guò)橋(沿橋梁中線行駛)的使用要求。

加固后橋梁在運(yùn)輸車輛全部通過(guò)后，主拱圈鋼板未出現(xiàn)開(kāi)裂和變形，拱圈線型也沒(méi)有發(fā)生變化，證明了鋼混組合結(jié)構(gòu)(鋼板+灌漿料)加固雙曲拱橋是可行的，能有效解決重車過(guò)橋工況下橋梁加固等問(wèn)題，具有推廣應(yīng)用的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

相比于傳統(tǒng)的加固方法，鋼混組合結(jié)構(gòu)加固具有如下特點(diǎn)：

(1)材料利用率高、經(jīng)濟(jì)性好。相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土加大截面法，鋼板+灌漿料加大截面法能充分利用材料性能，即鋼板較高的抗拉強(qiáng)度和灌漿料較高的抗壓強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土加大截面法相比，可有效降低加大截面的厚度，節(jié)省約10%施工成本費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益較顯著，對(duì)環(huán)境影響小。

(2)加固橋梁外觀變化小。鋼混組合結(jié)構(gòu)加固橋梁對(duì)橋梁外觀影響很小，相對(duì)于傳統(tǒng)的加大截面加固，恒載增重減少約45%，基本上不影響橋下凈空。對(duì)于部分歷史悠久和具有文化底蘊(yùn)的文物古橋，從保護(hù)的角度考慮，此方法能較好地保持原橋外貌，具有較好的社會(huì)效益。

(3)施工便捷，可操作性強(qiáng)。外包鋼板可作為灌漿料澆筑模板，省去了制安和拆除模板工藝，可加快施工進(jìn)度。此外，高強(qiáng)灌漿料流動(dòng)性強(qiáng)，可以解決新增結(jié)構(gòu)厚度較小時(shí)普通混凝土難以澆筑的施工難題。該加固方法施工便捷，可操作性強(qiáng)，可應(yīng)用于各類混凝土結(jié)構(gòu)加固中。