陳敏

摘??要：改擴(kuò)建工程往往面臨著既有橋梁的加固，以浙江某高速改擴(kuò)建項(xiàng)目為案例，首先分析了抗彎承載能力、抗剪承載能力、局部承壓承載能力不足的原因，然后結(jié)合各自承載能力基本原理，并結(jié)合規(guī)范要求，分析了加固常用方法，并對(duì)每種加固方法的原理進(jìn)行了介紹，最后結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際特點(diǎn)，介紹了所采用的方法以及加固的效果。結(jié)果表明，采用合適的加固方法可以有效解決城市高速公路橋梁的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，確保了其長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)。這一研究為城市基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：小箱梁??抗彎承載能力??抗剪承載能力??橋梁工程???加固原理

中圖分類號(hào)：X913.4;U448.23

Analysis?of?Shear?and?Flexural?Strengthening?Measures?and?Their?Effects?for?Small?Box?Girders

CHEN?Min

（Wuhan?Optics?Valley?Construction?Investment?Co.，?Ltd.，?Wuhan，?Hubei?Province，?430070?China）

Abstract：?Renovation?and?expansion?projects?often?face?the?reinforcement?of?existing?bridges.?Taking?a?high-speed?renovation?and?expansion?project?in?Zhejiang?as?a?case，?this?paper?first?analyzes?the?reasons?for?the?insufficient?bending?bearing?capacity，?shear?bearing?capacity?and?local?loading?and?bearing?capacity.?Then，?based?on?the?basic?principles?of?their?respective?bearing?capacity?and?the?requirements?of?specifications，?it?analyzes?common?reinforcement?methods?and?introduces?the?principles?of?each?reinforcement?method.?Finally，?combined?with?the?actual?characteristics?of?the?project，?it?introduces?the?used?methods?and?reinforcement?effects.?The?results?indicate?that?adopting?appropriate?reinforcement?methods?can?effectively?solve?the?structural?problems?of?urban?highway?bridges?and?ensure?their?long-term?safe?operation.?This?study?provides?strong?support?for?the?sustainable?development?of?urban?infrastructure.

Key?Words：?Small?box?girder;?Flexural?bearing?capacity;?Shear?bearing?capacity;?Bridge?engineering;?Reinforcement?principle

近年來(lái)城市汽車保有量逐步提升，且隨著電動(dòng)化的發(fā)展，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)城市汽車數(shù)量將會(huì)迎來(lái)快速發(fā)展期。同時(shí)初期建造的道路一般車道數(shù)較少，難以匹配高速增長(zhǎng)的交通量，部分城市擁堵現(xiàn)象日益惡化。因此需要對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行改擴(kuò)建，拓展車道，緩解擁堵，提高道路服務(wù)水平。

我國(guó)改革開放初期大量建造的市政橋梁隨著服役時(shí)間的增加，逐漸出現(xiàn)病害，如混凝土碳化、裂縫、鋼筋銹蝕等[1]。在改擴(kuò)建時(shí)需要對(duì)承載能力不足的橋梁進(jìn)行加固，以保證其能正常服役[2]。同時(shí)對(duì)于部分狀態(tài)較好的橋梁，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)雖是依據(jù)當(dāng)時(shí)規(guī)范設(shè)計(jì)，但改擴(kuò)建細(xì)則提出——對(duì)于擴(kuò)建橋梁，其承載能力極限狀態(tài)應(yīng)滿足新規(guī)范要求，故仍需要對(duì)其進(jìn)行加固。

1??工程概況

某城市二環(huán)線全線34.5?km，整體采用高架橋方案，于2002年建成通車，運(yùn)行20年后逐漸出現(xiàn)擁堵情況，對(duì)于部分上下高架路段擁堵現(xiàn)象更加明顯，因此經(jīng)過(guò)評(píng)議后，對(duì)部分路段進(jìn)行擴(kuò)建，整體擴(kuò)建方案為單側(cè)拼寬2個(gè)車道。

拼寬路段某樁號(hào)范圍內(nèi)橋梁上構(gòu)為小箱梁，跨徑為30?m，橋墩采用雙柱墩，依據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ?11-1993）進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)營(yíng)多年后小箱梁的病害逐漸增多，對(duì)其進(jìn)行承載能力驗(yàn)算結(jié)果表明，其抗彎承載能力安全系數(shù)為0.85，抗剪承載能力安全系數(shù)為0.79，不滿足規(guī)范要求。本次擴(kuò)建需要對(duì)小箱梁邊梁及中梁進(jìn)行抗彎和抗剪加固。

2??箱梁抗彎加固

2.1??抗彎承載能力不足的主要原因

2.1.1?老化和環(huán)境影響

隨著時(shí)間的推移，混凝土結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到老化的影響，混凝土的強(qiáng)度可能會(huì)降低。此外，環(huán)境因素如潮濕、腐蝕、鹽析等也可能影響混凝土的性能，從而降低結(jié)構(gòu)的抗彎能力[3]。

2.1.2?荷載超載

如果混凝土結(jié)構(gòu)承受了超過(guò)其設(shè)計(jì)荷載能力的荷載，例如頻繁的重型車輛通行或臨時(shí)施工荷載，這就可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗彎能力不足。

2.1.3?施工質(zhì)量問(wèn)題

不合格的施工工藝和技術(shù)，如混凝土澆筑不均勻、不充分振搗、混凝土質(zhì)量控制不當(dāng)?shù)?，也可能降低混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎性能。

2.2??抗彎承載能力加固原理

根據(jù)《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?），抗彎承載能力的計(jì)算公式如式（1）所示：

由式（1）可知，可以從以下幾個(gè)方面提高公式右側(cè)數(shù)值，也即是提高結(jié)構(gòu)承載能力。一方面，可以增加h0或x，在主筋重心位置不變的情況下，一般采用方法是增加梁的高度，即增加截面法。增加截面高度后承載能力提升較為明顯，但由于施工難度大、施工后外形不美觀而較少采用。另一方面，也可以增加As，提高鋼筋面積，常采用的方法是外包鋼板法。對(duì)于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)需要注意的問(wèn)題與外包鋼板法一致，需要防止超筋現(xiàn)象的出現(xiàn)[4]。

2.3??抗彎加固方案及效果

對(duì)于本項(xiàng)目，橋梁主梁為小箱梁，梁高1.6?m，由于梁高較高，且梁底裂縫分布，綜合美觀等因素，采用在梁底張貼鋼板的方法進(jìn)行抗彎加固，一方面提高承載能力，另一方面，張貼鋼板時(shí)，梁底涂抹結(jié)構(gòu)膠，對(duì)裂縫具有密封作用，防止內(nèi)部鋼筋進(jìn)一步銹蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

張貼鋼板尺寸為寬10?cm，厚0.8?cm，每個(gè)小箱梁張貼3條鋼板，張貼范圍為整個(gè)跨徑內(nèi)梁底全長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，張貼鋼板后結(jié)構(gòu)抗彎承載能力提高至1.2，滿足現(xiàn)有規(guī)范要求。

3??箱梁抗剪加固

3.1??抗剪承載能力不足的主要原因

3.1.1?不足的橫向鋼筋

混凝土結(jié)構(gòu)中的橫向鋼筋（也稱為箍筋或橫向裂縫鋼筋）對(duì)于抵抗剪切力至關(guān)重要。如果橫向鋼筋數(shù)量不足或者橫向鋼筋的直徑太小，那么在受到剪切荷載時(shí)，混凝土可能會(huì)發(fā)生剪切破壞，抗剪承載能力不足[5]。

3.1.2?橫向鋼筋的不正確布置

除了數(shù)量和直徑外，橫向鋼筋的布置也非常重要。如果橫向鋼筋的間距過(guò)大或者不均勻，或者不按照設(shè)計(jì)規(guī)范正確布置，都可能導(dǎo)致抗剪能力不足。

3.1.3?斜裂縫的存在

混凝土結(jié)構(gòu)中的斜裂縫可能會(huì)降低抗剪能力。這些裂縫通常是由于混凝土齡期伸縮、荷載循環(huán)或溫度變化等因素引起的。斜裂縫可能會(huì)導(dǎo)致混凝土失去縱向和橫向的一致性，從而降低了抗剪承載能力。

3.2??抗剪承載能力加固原理

根據(jù)《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?），抗剪承載能力的計(jì)算公式如下式：

式（2）邊為荷載產(chǎn)生的剪力設(shè)計(jì)值，公式右邊為抗剪承載能力，主要包括混凝土和箍筋提供的承載力，彎起鋼筋提供的承載力，以及預(yù)應(yīng)力筋提供的承載力。從式中可以看出，抗剪加固可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。（1）增加h0或b值，即增加截面高度或?qū)挾?，由于抗剪設(shè)計(jì)值一般位于支座處，該處增加截面高度較為困難，一般采用增加寬度的方法進(jìn)行加固，如將支座附近的小箱梁空腔澆筑成實(shí)體。（2）增加ASb，即增加彎起鋼筋面積，與抗彎加固不同，抗剪加固不存在超筋概念，因此可以較為大面積地增加彎起鋼筋，通常采用的方法是在支座附近張貼斜向鋼板。（3）增加fsd，即增加體外預(yù)應(yīng)力，該種方法主要運(yùn)用于抗彎加固，對(duì)于抗剪加固，由于較難配置短束，因此適用性較差[6]。

3.3??抗剪加固方案及效果

對(duì)于本項(xiàng)目，由于增加預(yù)應(yīng)力和截面尺寸困難，因此采用張貼鋼板的方法增加彎起鋼筋面積，提高承載能力。最終采用在小箱梁腹板兩側(cè)斜向45゜各張貼4塊長(zhǎng)120?cm、寬10?cm、厚0.8?cm的鋼板進(jìn)行加固。經(jīng)過(guò)計(jì)算，加固后小箱梁抗剪承載能力安全系數(shù)提高至1.45，滿足現(xiàn)有規(guī)范要求。

4??部承壓加固

4.1??局部承壓承載能力不足的主要原因

橋梁混凝土結(jié)構(gòu)在其壽命周期內(nèi)可能會(huì)面臨局部承載能力不足的問(wèn)題，這種問(wèn)題可能由以下一些因素引起[5]。

4.1.1?磨損和腐蝕

橋梁混凝土結(jié)構(gòu)常常受到交通、氣候和環(huán)境的影響，這可能導(dǎo)致表面的磨損和腐蝕。這些因素可以減弱混凝土的強(qiáng)度，尤其是在橋梁的關(guān)鍵部位，如橋墩、橋臺(tái)和橋梁底部。

4.1.2?裂縫影響

混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫可能會(huì)形成或擴(kuò)展，這些裂縫可以降低結(jié)構(gòu)的承載能力。裂縫可能是由于混凝土的齡期伸縮、荷載循環(huán)、溫度變化或地震等因素引起的。

4.1.3?腐蝕鋼筋

混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋如果暴露在潮濕或腐蝕性環(huán)境中，可能會(huì)生銹，導(dǎo)致鋼筋的膨脹和混凝土的破壞。這會(huì)削弱結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度。

針對(duì)上述問(wèn)題，進(jìn)行針對(duì)性的加固以提高局部承載能力，確保結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役安全。常用服役期間混凝土結(jié)構(gòu)承載能力加固方法包括鋼板包裹、碳纖維增強(qiáng)以及添加混凝土枕木的方法。

4.2??常用局部承壓承載能力加固方法

4.2.1?鋼板包裹

鋼板包裹是一種常見的混凝土加固方法，適用于混凝土受壓區(qū)域的增強(qiáng)。這個(gè)方法包括將鋼板附著在受壓混凝土表面，以增加結(jié)構(gòu)的抗壓能力。這些鋼板可以是平板或角鋼，通常通過(guò)焊接或螺栓固定在混凝土上。這種加固方法的優(yōu)點(diǎn)具體敘述如下。

（1）快速施工：相對(duì)于其他方法，鋼板包裹的施工速度較快，可以迅速修復(fù)受壓混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）提高抗壓強(qiáng)度：鋼板的強(qiáng)度很高，可以顯著提高受壓混凝土的承載能力。

（3）適用性廣泛：適用于各種混凝土結(jié)構(gòu)，包括梁、柱和墻。

然而，需要注意的是，鋼板包裹可能會(huì)引入額外的重量和可能的腐蝕問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中需要謹(jǐn)慎考慮。

4.2.2?碳纖維增強(qiáng)

碳纖維增強(qiáng)是一種高性能的加固方法，通常使用碳纖維布或碳纖維條來(lái)包裹或粘貼在受壓混凝土表面，以提高其抗壓強(qiáng)度。碳纖維具有輕量、高強(qiáng)度和耐腐蝕等特點(diǎn)，使其成為一種受歡迎的加固材料。碳纖維增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)具體敘述如下。

（1）高強(qiáng)度：碳纖維具有出色的拉伸強(qiáng)度，可以顯著增加混凝土的抗壓能力。

（2）輕質(zhì)：與傳統(tǒng)的鋼材相比，碳纖維更輕，不會(huì)增加結(jié)構(gòu)的自重。

（3）耐腐蝕：碳纖維不會(huì)腐蝕，這意味著它可以用于有腐蝕問(wèn)題的環(huán)境中。

碳纖維增強(qiáng)通常需要專業(yè)技術(shù)和施工技能，因此需要由經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員進(jìn)行施工和設(shè)計(jì)。

4.3.3混凝土枕木

混凝土枕木是一種將額外的混凝土結(jié)構(gòu)放置在受壓混凝土下方的加固方法。這些混凝土枕木或梁的目的是分散受壓區(qū)域的荷載，減輕原始混凝土的負(fù)荷?；炷琳砟镜奶攸c(diǎn)具體敘述如下。

（1）分散荷載：通過(guò)提供額外的支持和分散荷載，混凝土枕木可以減輕受壓混凝土的壓力。

（2）增加承載能力：混凝土枕木增加了整體結(jié)構(gòu)的承載能力，可以用于加固受壓梁、板或柱。

混凝土枕木的設(shè)計(jì)和施工需要考慮結(jié)構(gòu)的荷載分布和枕木的尺寸，以確保有效地減輕受壓混凝土的負(fù)荷。這種方法通常適用于需要在短時(shí)間內(nèi)快速加固的情況。

5??結(jié)語(yǔ)

以浙江某高速公路改擴(kuò)建為案例，結(jié)合規(guī)范相關(guān)規(guī)定，介紹了抗彎及抗剪加固的方法及其加固原理，并根據(jù)該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，介紹了其所采用的加固方法及采用該方法的原因，通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)例，可以看出針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際邊界條件，采用合適的加固方法可以得到良好的加固效果。

參考文獻(xiàn)

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[6]陳孟林.橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)原則及方法分析