賈建彪

（邢臺路橋建設(shè)集團有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引言

本文通過對某大橋的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及橋梁損壞情況的綜合分析，在橋梁動靜載試驗檢測分析的基礎(chǔ)上，提出了橋梁加固方案。對加固后的橋梁開展靜載荷試驗分析，通過橋梁加固前后的空間有限元數(shù)值模擬及試驗數(shù)據(jù)，對加固效果做出了科學(xué)評定，對類似橋梁加固工程具有重要參考價值。

1 橋梁概況與病害特征

某特大橋是京沈高速公路連接線的一個關(guān)鍵性大型橋梁，橋梁設(shè)計荷載（原規(guī)范）為汽車-20，掛車-100。上部結(jié)構(gòu)為42孔跨徑20m普通鋼筋混凝土簡支T型梁橋，混凝土強度為C30，橋梁下部為雙柱式墩臺結(jié)構(gòu)。橋面寬度為凈11.4+2×0.5m防撞護(hù)欄，每孔上部橫向由8片混凝土T梁組成，梁高130cm，梁寬160cm。全橋采用橋面連續(xù)，3孔～5孔為一聯(lián)，共十二聯(lián)。

該橋的主要病害特征為：（1）橋面瀝青混凝土龜裂嚴(yán)重，主行車道出現(xiàn)了不同大小的裂縫，其中縱向裂縫較多。橋面裂縫實際是結(jié)構(gòu)病害的反映，特別是縱向裂縫病害可推斷為T型梁之間聯(lián)結(jié)性能下降或失效。而橋面病害特征是橋梁橫向協(xié)同工作性能嚴(yán)重下降的反映。（2）該橋橫隔板聯(lián)結(jié)處嚴(yán)重開裂，特別是重車道（西側(cè)）幾乎所有的聯(lián)結(jié)處焊點均發(fā)生開裂，并伴有T梁翼板鉸縫混凝土脫落現(xiàn)象，會造成橋梁單板受力，如果不及時采取工程措施，會嚴(yán)重地影響運行安全。（3）多數(shù)T型混凝土梁都存在較嚴(yán)重的裂縫，包括跨中豎向裂縫和剪拉區(qū)斜裂縫。斜向裂縫的寬度最大處達(dá)到0.35mm，嚴(yán)重的部分裂縫豎向貫穿橋梁的肋板。橋體豎向的裂縫數(shù)量較多，且比較密集，部分T型鋼筋混凝土梁下緣的跨中一定范圍內(nèi)存在裂縫，寬度最大達(dá)到0.3mm以上，裂縫沿豎向高度一般在20cm內(nèi)，個別最大達(dá)到60cm。這些裂縫特征說明橋梁在車輛荷載作用下T型梁的撓度過大，抗彎中性軸已明顯上移，裂縫寬度已經(jīng)超出規(guī)范要求。

上述病害說明橋梁存在嚴(yán)重安全隱患，必須開展科學(xué)評判并采取對應(yīng)的工程加固措施，確保橋梁的運行安全。

2 橋梁加固前的動靜載試驗分析

根據(jù)橋梁病害特征，主要開展混凝土強度試驗、橋梁靜荷載及橋梁動載試驗。

2.1 T型梁混凝土強度試驗

采用超聲-回彈綜合法檢測混凝土強度，對鋼筋混凝土梁隨機抽樣，共設(shè)20個測區(qū)。依據(jù)相關(guān)規(guī)程，推定鋼筋混凝土梁抗壓強度為26.66MPa，其抗壓強度已低于設(shè)計要求（C30）。

混凝土梁在汽車荷載特別是超載車輛的反復(fù)作用下，混凝土除出現(xiàn)明顯的表觀裂縫外，其內(nèi)部微觀縫隙也會逐步擴展，造成聲波波速下降，降低混凝土的強度。

2.2 橋梁動力試驗結(jié)果分析

在環(huán)境振動激勵下測試鋼筋混凝土梁的一階振動頻率，并與依據(jù)設(shè)計圖紙建立的橋梁空間動力有限元計算值做比較。脈動條件下大橋的振動測試分析與動力有限元分析結(jié)果如表1所示，橋梁的實測振動頻率值明顯小于理論值。

橋梁的振動頻率是反映橋梁動剛度的重要指標(biāo)，橋梁豎向振動頻率與抗彎剛度成正比，與質(zhì)量成反比，當(dāng)橋梁出現(xiàn)裂縫、混凝土強度下降等病害時，通常是橋梁質(zhì)量不變而抗彎剛度下降，造成橋梁振動頻率下降。

表1 脈動條件下振動測試分析結(jié)果

從以上測試分析結(jié)果可以看出，脈動條件下的橋梁結(jié)構(gòu)振動的主頻值小于有限元分析的主頻值，說明動剛度已不滿足設(shè)計要求。

2.3 橋梁靜載試驗結(jié)果分析

實際荷載試驗采用車輛加載，根據(jù)設(shè)計荷載的等級，按照內(nèi)力或變形等效原則將其轉(zhuǎn)換為若干個標(biāo)準(zhǔn)車來代替，即替代荷載在計算截面產(chǎn)生的內(nèi)力或變形。

根據(jù)規(guī)范要求，采用汽車單偏載30噸、雙偏載30噸、對稱30噸開展橋梁的靜載試驗，位移測點主要布置在梁跨中、梁端，在跨中沿橫向自西邊梁起1#、2#、3#、4#、6#、8#梁上布置了位移傳感器，在梁端2＃、4＃、6＃梁布置3個位移傳感器；在西起2＃梁跨中側(cè)面沿截面高布置了7片應(yīng)變片。

根據(jù)實際測試給出橋梁撓度數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計圖紙空間有限元數(shù)值模擬給出理論計算數(shù)據(jù)，通過實測數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的比值可分析橋梁校驗系數(shù)，主要結(jié)果如表2所示。

表2 汽車雙偏載30T跨中最大位移值(mm)

校驗系數(shù)是實測撓度與按設(shè)計圖紙計算的理論撓度的比值，當(dāng)橋梁實際力學(xué)狀況下降，在相同荷載下實測撓度值必然會增大。校驗系數(shù)大于1，說明橋梁力學(xué)性能已經(jīng)低于設(shè)計要求，此時必須采取相應(yīng)工程措施，以確保橋梁運行安全。

從表2數(shù)據(jù)中可以看出，荷載作用下的位移校驗系數(shù)存在明顯大于1的情況，因此該橋已經(jīng)不滿足設(shè)計荷載的要求。特別是雙偏載30噸條件下，校驗系數(shù)最大達(dá)1.39，說明存在單板受力情況。從橫向撓度分布可以看出，數(shù)據(jù)變化較大，說明橋梁橫向協(xié)調(diào)工作性能嚴(yán)重下降。

在汽車雙偏載30噸下，應(yīng)用空間有限元計算的理論應(yīng)變與實測應(yīng)變對比結(jié)果如表3所示，受拉區(qū)應(yīng)變值明顯大于理論值，且實測中性軸較理論計算結(jié)果向上偏移，說明該橋應(yīng)變不滿足汽車-20、掛車-100等級的要求。

表3 汽車雙偏載30T2號梁沿截面高實測應(yīng)變值（με）

3 橋梁加固方案

根據(jù)實際通行車輛荷載等級狀況及橋梁動靜載測試結(jié)果，橋梁加固目標(biāo)為加固后該橋荷載標(biāo)準(zhǔn)維持原汽-20標(biāo)準(zhǔn)，對抗彎承載能力補強至公路Ⅰ級。根據(jù)加固設(shè)計目標(biāo)，通過空間有限元數(shù)值仿真分析，并結(jié)合橋梁現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，提出如下具體加固方案。

（1）裂縫處理：出于對于經(jīng)濟、技術(shù)及基本性能的要求，根據(jù)對橋梁的檢測分析結(jié)果，對裂縫的處理方法如下，裂縫寬度小于0.2mm的裂縫，采用表面刷環(huán)氧樹脂漿液封縫處理；寬度大于0.2mm的裂縫，選取加壓灌注環(huán)氧膠液封縫處理。裂縫處理后可有效阻斷空氣與鋼筋的接觸，防止鋼筋進(jìn)一步銹蝕。

（2）橋面鋪裝加固：原橋的橋面板由于長期荷載的作用，表面發(fā)生破壞，必須要拆除。將原橋面9cm水泥混凝土加9cm瀝青混凝土鋪裝拆除，改為19cm水泥混凝土橋面板鋪裝，層內(nèi)設(shè)計雙層鋼筋網(wǎng)，選取鋼筋直徑為12mm，上下層鋼筋間距設(shè)為15cm×15cm。這樣可提高鋼筋網(wǎng)之間的聯(lián)接強度，提高橋面板的抗壓強度，適當(dāng)增加截面高度，以提高橋梁承擔(dān)荷載能力。

（3）橫隔板加固：對連接損壞的橫隔板采用鋼板條錨固方式加固，把選取鋼板條做成剪刀撐形，底部加設(shè)橫向鋼板條。根據(jù)工程經(jīng)驗及橋梁加固規(guī)范，確定鋼板厚度為10mm，鋼板加固采用濕法外包鋼方式。

（4）T型梁加固：選擇在T型梁的全長都增加其截面積的加固方法。為確保T型梁有足夠的橋梁正截面抗彎承載能力，能夠滿足加固設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)，選取在梁體下部設(shè)計下馬蹄，下馬蹄內(nèi)配置4根直徑25mm的鋼筋，鋼筋型號選取HRB335，與原有的鋼筋型號相同，然后再外包混凝土。

加固T梁下馬蹄時，在原來的T形梁外側(cè)灌注混凝土，混凝土加固設(shè)計厚度為10cm。在橋梁受剪力較大的橋梁支座到1/4橋跨處，豎向配置間距為15cm、直徑12mm的箍筋，提高梁的抗剪性能。

4 橋梁加固與提級效果分析

4.1 橋梁加固效果分析

根據(jù)加固后橋梁的幾何與力學(xué)參數(shù)，對橋梁開展空間有限元建模，混凝土強度取為C30、彈性模量為3×104N/mm2、泊松比為0.2、密度為2500kg/m3。

針對加固后的橋梁開展了加載試驗，檢驗該橋的加固效果，針對原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的最不利荷載跨中雙偏載30噸測試數(shù)據(jù)開展加固前后對比，如表4所示。

表4 汽車雙偏載30T跨中最大位移值(單位：mm)

從表4可以看出加固效果明顯，加固后的跨中位移顯著降低。對比表2可以看出加固后明顯小于原有結(jié)構(gòu)的理論計算值。如果能控制橋面汽車荷載在設(shè)計范圍內(nèi)，則滿足正常用，但根據(jù)實際荷載調(diào)查，通常超載的大型運輸車較多，因此設(shè)定了橋梁加固目標(biāo)為橋梁抗彎承載能力由原汽-20標(biāo)準(zhǔn)補強至公路1級。

4.2 橋梁加固提級效果分析

橋梁加固后要求橋梁抗彎承載能由原汽-20標(biāo)準(zhǔn)補強至公路Ⅰ級。為此，對加固后的橋梁按公路Ⅰ級加載效率開展荷載試驗分析。

通過現(xiàn)場動靜載試驗，根據(jù)原設(shè)計圖紙結(jié)合加固設(shè)計圖紙，開展空間有限元數(shù)值建模，依據(jù)數(shù)值模型開展動力有限元理論值與空間有限元撓度理論計算。

開展結(jié)構(gòu)動力特性測試與動力有限元理論分析，現(xiàn)場實測基頻為6.84Hz，理論計算值為6.95Hz，實際橋梁動態(tài)力學(xué)性能與理論計算值基本一致，表明橋梁動剛度性能基本滿足加固設(shè)計要求?？紤]到原上部T型混凝土梁存在裂縫與混凝土彈性模量下降等損傷，因此實測基頻值略小于理論計算值。

表5與表6為橋梁加固后在滿足公路Ⅰ級加載效率情況下的位移與應(yīng)變測試結(jié)果。

表5 三車偏28T荷載作用下跨中位移值(mm)

根據(jù)公路Ⅰ級荷載標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計算采用三車28噸等效車載加載。在滿足加載效率的設(shè)計荷載加載條件下，實際橋梁撓度和應(yīng)變略大于理論計算值，其橋梁撓度和應(yīng)變校驗系數(shù)基本為1，說明基本滿足加固提級為公路Ⅰ級的設(shè)計要求。由于原上部T型混凝土梁存在裂縫與混凝土彈性模量下降等損傷，因此實測撓度值略小于理論計算值。

表6 三車偏28T荷載作用下跨中梁底應(yīng)變值(με)

5 結(jié)束語

本文針對某T型鋼筋混凝土橋病害特征嚴(yán)重影響運行安全的情況，開展了橋梁動靜載試驗與分析，為橋梁加固改造提供了科學(xué)依據(jù)，主要結(jié)論有：

根據(jù)實際通行車輛荷載等級狀況及橋梁動靜載測試結(jié)果，提出了該橋梁加固目標(biāo)：加固后荷載標(biāo)準(zhǔn)維持原汽-20標(biāo)準(zhǔn)，對橋梁抗彎承載能力補強至公路1級。通過空間有限元數(shù)值仿真分析，結(jié)合橋梁現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，提出了針對裂縫、橋面板、橫隔板、T型梁的加固方案。

針對原設(shè)計荷載等級的加載效率，對雙偏載30噸測試數(shù)據(jù)開展了加固前后對比，加固后的跨中位移顯著降低，且明顯小于原有結(jié)構(gòu)的理論計算值，加固效果顯著。

為驗證橋梁加固后抗彎承載能力由原汽-20標(biāo)準(zhǔn)補強至公路Ⅰ級，對加固后的橋梁按公路Ⅰ級加載效率開展了荷載試驗分析。結(jié)果表明：現(xiàn)場實測基頻為6.84Hz，理論計算值為6.95Hz，實際橋梁動態(tài)力學(xué)性能與理論計算值基本一致，表明橋梁動剛度性能基本滿足加固設(shè)計的要求?，F(xiàn)場靜載試驗與理論計算結(jié)果分析表明，該橋上部結(jié)構(gòu)基本滿足加固設(shè)計目標(biāo)要求?？紤]到原上部結(jié)構(gòu)加固前存在一定損傷，在理論驗算時，校驗系數(shù)略大于1、實測動態(tài)頻率值略小于理論值是正常反映。

綜上，該橋加固目標(biāo)與加固方案科學(xué)合理，加固效果明顯，上部結(jié)構(gòu)抗彎承載能力實現(xiàn)提級為滿足公路Ⅰ級的要求，加固后該橋荷載標(biāo)準(zhǔn)維持在原汽-20標(biāo)準(zhǔn)，同時由于橋梁抗彎承載能力提級為公路Ⅰ級而兼顧了部分重型車輛的通行，可以延長原有結(jié)構(gòu)的使用壽命，滿足安全運行要求。