淺析樑橋的加固設計論文

摘要：以南京市三汊河大橋（45+60+45m連續箱梁橋）的加固處治工程爲基礎，介紹了其主要病害及加固設計方案，並對體外預應力索加固法與分佈式表貼預應力碳纖維板的加固方案進行了對比研究。研究結果表明，預應力碳纖維板沿箱梁底板全寬分條佈置粘貼，使得箱梁橫向全寬範圍內預應力較爲均勻，較體外預應力索受力更爲合理和高效，是特別適合低高度寬體箱梁橋加固的技術方案。

關鍵詞：工程技術；加固設計；對比分析；分佈式；碳纖維板

0引言

在我國早期建造的橋樑中，預應力混凝土箱梁橋是數量比較多的橋型，由於多種原因[1]，這類橋樑存在較多病害，主要表現在：a）橋樑主體結構開裂、露筋鏽蝕、裂縫寬度大於規範限定值；b）橋樑墩臺沉陷、滑動、變形太大；c）橋面鋪裝層剝離、開裂、橋面防水層失效、伸縮縫損壞；d）其他附屬工程病害。對於橋樑工程的附屬工程病害及一般病害通常僅需有針對性地進行養護維修即可，但主體結構病害如已危及到結構的正常使用，則必須對其進行加固處理。箱梁橋的主體結構開裂及承載能力不足通常採用體外預應力索加固法，當箱梁高度較低，箱室內無法施工時，在箱梁的底面或側面安裝體外預應力索；當箱梁高度較大，箱室內便於施工時，在箱室內安裝體外預應力索。然而，當箱梁橋的跨度不大時（40～100m），箱梁高度並不大（低於2.0m），箱室內無法施工（主要因爲淨空高度較低），而且箱室本身也比較寬（城市或高速公路的單箱寬度超過12m），而形成低高度寬體箱梁橋。這類寬體箱梁橋在側面佈置體外預應力索，存在預應力集中佈置，箱梁因剪力滯效應[2]，預應力分佈不均勻等問題。爲解決這些困難，文章提出採用分佈式預應力碳纖維板加固法，在箱梁底面沿寬度方向均勻佈置並粘貼預應力碳纖維板，與箱梁形成有黏結預應力體系，不但解決預應力的集中錨固的缺陷，而且避免體外預應力的震動和疲勞等問題，此外，預應力碳纖維板本身較薄，加固後對結構的外觀影響非常小，是一種非常適用於低高度寬體箱梁橋的加固方案。爲便於說明分佈式預應力碳纖維板加固法，以南京三汊河大橋加固處治工程爲例，對分佈式預應力碳纖維板和體外預應力兩種加固方案進行了對比研究。

1工程概況

三汊河大橋位於南京市下關區外秦淮河與惠民河交叉處，南北走向，全橋長435.12m。其中主橋採用（45+60+45）m變截面預應力混凝土連續樑橋，引橋爲組合箱梁橋，橋面總寬24m，單幅寬12m。主橋上部結構採用變截面預應力混凝土連續箱梁，墩頂樑高3.8m，跨中樑高1.8m，樑高按照拋物線變化。箱梁採用單箱單室截面（如圖1），箱梁頂寬12m，底寬6.5m，懸臂長2.75m，頂底板厚25cm，腹板厚30cm，墩頂處箱梁腹板漸變爲50cm，底板漸變爲60cm厚。橋樑施工採用懸臂澆築法完成。對跨中截面，箱梁高度與寬度之比爲0.15，是典型的低高度寬體箱梁。

2主體結構病害

經檢測三汊河大橋主橋邊跨合攏段附近存在大量底板橫向與腹板斜向裂縫，箱梁頂板普遍存在縱向裂縫，主橋施工時節段間澆築質量較差，多處接縫處存在高差，高差最大值達5cm，預應力筋外露鏽蝕，個別波紋管內沒有灌漿。邊跨底板橫向及腹板斜向裂縫從其分佈位置及形態分析，橫向裂縫表現爲彎曲裂縫，腹板斜裂縫表現出較明顯的剪切受力裂縫狀態，其中個別裂縫寬度達到0.15mm。根據城市橋樑養護技術規範裂縫寬度要求，三汊河大橋檢測評估等級爲D級—不合格級，急需進行加固修復[3]。

3加固設計

3.1加固前計算分析

橋樑加固前計算採用有限元程序進行，計算採用平面杆系理論，主樑三維樑單元模擬。爲了比較準確反映結構的受力情況，各個構件截面特性按照結構實際尺寸進行取值，施工階段按照原設計圖中階段進行懸澆施工模擬。計算中荷載主要考慮自重、二期恆載、溫度作用、支座沉降、收縮徐變、預應力以及汽車作用，其中汽車作用按照原設計標準汽-20級，掛-100級加載，並考慮汽車衝擊作用。驗算採用的規範限值按照規範[4]執行。經過模擬計算可以得出以下結果：由正截面抗彎承載能力包絡圖（如圖2）可以得出，主橋邊跨合攏段附近正截面抗彎承載力不足，主橋中跨跨中正截面抗彎承載力儲備較少。由正截面抗裂驗算結果（如圖3）可知，短期效應下主橋邊跨合攏段附近正截面拉應力最大值-3.08MPa遠大於A類構件限制應力-1.68MPa，正截面抗裂不滿足要求。驗算結果顯示除以上兩項不滿足規範要求外，另外還有邊支點附近抗剪承載力及箱室框架頂板抗彎承載力不滿足規範要求。由此可見，三汊河橋樑主橋的計算結果與檢測中發現的病害是吻合的，這也說明橋樑病害產生與結構受力不滿足使用要求是緊密相關的。

3.2加固設計方案

限於篇幅，本文中僅介紹抗彎加固的設計方案。根據以往經驗，對於抗彎加固一般採用粘貼碳纖維板（或布）、鋼板或體外預應力加固[5]，本橋樑爲大跨徑預應力橋樑結構，除抗彎承載力不滿足外，邊跨合攏段附近截面下緣拉應力也超標較多。理論分析認爲，混凝土截面裂縫開裂後，開裂的截面剛度折減[6]，靠近開裂位置的受拉鋼筋會因水氣的進入而逐漸鏽蝕，影響橋樑結構耐久性及結構安全。爲此，合理的加固方案不僅要提高截面承載能力，還需對截面邊緣出現的較大拉應力進行消壓，使得較大寬度（大於0.1mm）裂縫的開展有所限制，較小寬度（小於等於0.1mm）裂縫適度的閉合。考慮到普通粘貼加固是一種被動加固法，對既有結構加固，存在二次受力問題，雖然對截面承載能力有一定程度提高，但是無法有效消壓，對裂縫的開展限制作用有限，更不可能閉合裂縫[7]。經分析研究，認爲採用預應力加固的主動加固方法纔可以滿足本橋的加固要求[8-9]，提出以下兩種方法。

3.2.1體外預應力索加固

本方案對原橋樑結構抗彎不足的邊跨合攏段附近及中跨跨中附近採用體外預應力技術加固，橫向在截面兩側近腹板處對稱佈置兩束15-φs15.2預應力鋼束，每束預應力鋼束的張拉力爲2520kN。由於箱室內的高度在1.3m左右，設置錨固齒塊及預應力張拉施工均較爲困難；若設置在箱室外，錨固座及預應力索使橋樑外觀不佳；出於對體外預應力筋加固的受力進行對比分析，暫以在箱室內的佈置方案爲研究對象。

3.2.2分佈式預應力碳纖維板加固

通過在箱梁底面（邊跨合攏段、中跨跨中一定範圍內）粘貼多條預應力碳纖維板，碳纖維板厚2mm，寬50mm，每根預應力碳板張拉力爲120kN，總張拉力爲2520kN。相對於體外預應力筋加固（方案一），分佈式預應力碳纖維板（方案二）的預應力佈置思路是“化整爲零”，這樣有很多好處。第一，避免集中的體外預應力在寬箱梁上的剪力滯效應[2]，讓預應力在箱梁上分佈更合理（下面詳細計算）；第二，預應力碳纖維板佈置在箱梁底面，距中性軸較遠，預應力的抗彎效果更好；第三，預應力碳纖維板與箱梁相黏結，能緊密結合，在受力時共同工作，能抑制既有裂縫的擴展，這是體外預應力筋或者無黏結預應力筋所不具有的特點[9]；第四，碳纖維板厚度較薄，施工完成後，對箱梁的外觀基本不改變，對城市橋樑景觀來說至關重要；第五，錨固區設置同樣也是“化整爲零”，每個錨固座的設計將變得相當簡單，甚至錨固座可以實現隱形設計，施工完成後，同碳纖維板一樣對橋樑外觀幾乎沒有改變。

3.3寬體箱梁加固後橫向應力分佈計算

針對以上兩種預應力加固方案，對後加預應力在寬體箱梁上的應力分佈分別做有限元分析對比計算。計算中採用Midascivil軟件中的實體單元模擬箱梁節段混凝土，預應力筋體外束及碳纖維板以桁架單元模擬分析計算。經有限元結構分析可知：方案一中體外預應力束加固的箱梁節段，由於鋼束張拉及錨固力均較大，因此靠近腹板位置處，在預應力作用下，壓應力首先由齒塊傳遞至與其相連的腹板及底板，最後才能傳遞至底板中部，底板上產生的.應力沿橫向是不均勻分佈的，呈現中間小兩邊大的狀態。此處，齒塊位置最大壓應力26.31MPa，底板中間壓應力接近0，可見體外束加固後對底板的消壓作用因箱梁的剪力滯效應，預壓應力分佈極不均勻，施力處大，遠離處小，受力較不合理。方案二中分佈式預應力碳纖維板加固的樑段，由於碳纖維板直接佈置於箱梁底板，預應力作用下，壓應力通過錨具及黏結力直接作用於底板，無剪力滯效應[2]，分析結果顯示底板壓應力爲4.99MPa，且壓應力沿底板分佈均勻，可見分佈式預應力碳纖維板加固對底板的消壓作用相對而言是均勻且顯著的。基於以上分析，並考慮兩種預應力加固方法的施工難度及耐久性[8-10]、經濟性，最終採用分佈式預應力碳纖維板加固方案作爲加固設計方案。

3.4加固後橋樑整體效果分析

對加固後的橋樑進行模擬分析計算，計算結果（如圖8、圖9）顯示經分佈式預應力碳纖維板加固後橋樑抗彎承載力及正截面抗裂能力均有大幅提高。表明該橋採用分佈式預應力碳纖維板加固方案可以達到預期加固效果。

4結語

通過對南京市三汊河大橋的加固設計的對比研究，可以得出：對於低高度寬體箱梁橋結構因抗彎承載力不足或裂縫寬度較大等病害，採用分佈式預應力碳纖維板加固是一種較體外預應力筋加固更合理可行的方法，在技術經濟可行條件下應優先採用。

參考文獻：

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