孙 林, 檀永刚

(大连理工大学 桥梁工程研究所, 辽宁 大连 116024)

桥梁作为公共交通运输的关键部分,在我国有着悠久的历史.目前我国桥梁数量非常庞大,形式多种多样.据统计,截止2012年底,全国公路桥梁达71.34万座,3 662.78万米.其中,特大桥2 688座,468.86万米;大桥6 1735座,1 518.16万米.桥梁对地区的经济发展起着关键性的作用[1].

但目前桥梁的运营状况却不容乐观,桥梁技术状况评定中,五类桥梁的比例已经超过了3%,三类、四类的桥梁占更多.现役桥梁的病害形式也是多种多样的,这些病害造成桥梁结构整体安全性下降、结构承载力降低.但出于实际需要,这些桥梁不能全部重建,人们往往希望对这些不适合继续使用的桥梁进行加固补强,以保证交通的通畅.

因此,如何对旧桥进行加固设计,使其恢复使用功能,提高承载能力、结构安全性及耐久性成为现在一大研究热点.本文根据一座旧桥的检测结果和Midas/Civil的计算结果,提出符合实际的的加固方案.

1 国内桥梁技术状况及加固研究现状

改革开放以来,我国交通运输状况发生了历史性变化.近十年来,我国交通量和车载量迅速增加.为适应这种高速发展的需要,截止2012年底,桥梁总数已达70余万座,然而现在的桥梁状况却面临诸多问题.公路桥梁的负荷逐渐加重,旧桥的老化日益严重,但出于实际需要,很多桥梁仍在继续运营,存在着很大的安全隐患.

在我国,一直都很重视对旧桥的加固技术方法的研究,并取得了许多宝贵的经验.20世纪70年代以来,研究人员针对20世纪50—80年代修建的桥梁,在加固方面进行了很多研究.桥梁加固技术经过几十年的发展后,随着桥梁检测、评定技术的逐渐成熟,桥梁的维修加固技术取得了长足的进步与发展,出现了很多新的加固方法.

2 加固基本原则与加固设计程序

进行桥梁加固设计时,应当以原桥梁的竣工图、设计图和检测评估报告为依据,并且要经过现场核对.加固设计计算时,应综合考虑多方面的影响,如结构病害、材料劣化、新旧材料的结合性能及材性的差异等,还应采用桥梁检测结果进行材料、几何等参数的取值;加固设计计算时,应对各施工阶段进行验算,包括构件的强度、稳定性及变形,加固后的结构验算应考虑附加载荷,如温度变化、混凝土收缩及徐变、预加应力、墩台位移、安装应力等的影响.

对桥梁进行加固设计可分为以下几个步骤:加固工程可行性研究(含估算)→加固方案→初步设计(含概算) →加固施工图设计(含预算).

3 桥梁加固常用方法及其特点简述

目前桥梁加固的方法很多,但原理都是一样的,总体来说都是从两个方面对桥梁进行加固改造,即内在因素和外在因素.现在国内常见的加固方法有:增大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法、外部预应力法、改变结构体系加固法等[2].

3.1 增大截面加固法

由于现在标准的变更和车辆载荷的增大,当初设计时的载荷等级偏低,桥梁结构的承载力已不能满足现在的通行要求,很多桥梁出现钢筋太少或桥梁截面尺寸太小等情况.对于这样的桥梁,可以采用增大截面法进行加固.增大截面加固法主要为了提高原有构件的承载力和刚度.

采用此方法加固的桥梁计算应分为新浇混凝土在达到强度标准值之前和之后两个阶段,具体方法可参照相应规范.

该方法操作简单,但会增加桥梁自重并影响桥下净空.

3.2 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固法[3]是指采用胶黏剂将钢板或型钢与混凝土粘结,从而使二者整体受力提高桥梁结构的承载力,同时抑制裂缝的产生和扩展.

贴钢钢板法加固桥梁施工工期短,不影响交通的正常运行,能尽可能的保持被加固桥梁的原貌;但该方法对钢板的防腐要求和胶黏剂的性能要求较高并且初期效果不明显.

3.3 粘贴纤维复合材料加固法

粘贴纤维复合材料加固[4]是指使用胶黏剂将纤维复合材料粘贴在结构表面以提高结构承载力的方法.此方法的目的在于提高结构的延性和耐久性.

纤维复合材料具有很优异的物理力学性能,其高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等性能非常适合桥梁的加固改造,其施工方法也相对简单快捷,可缩短工期,是桥梁加固改造的理想材料.

3.4 体外预应力加固法

体外预应力加固法[5]是指通过增设体外预应力索(钢绞线、高强钢丝束或精轧螺纹钢筋)的方法对既有桥梁结构主动施加外力,从而改善原结构的受力状况.该方法的主要组成部分分为预应力钢筋(束)、锚固系统、转向块或滑块、水平束减振装置和梁体.

体外预应力加固法可以有效减小结构的截面,减轻恒载,且体外预应力索容易检查和更换,摩阻力损失小,但此方法对预应力钢筋的耐火性和耐腐蚀性的要求较高.

3.5 改变体系加固法

改变结构体系加固法[6-7]是通过改变原结构的受力体系来降低截面内力,从而提高桥梁结构整体承载能力的一种方法.

该方法对原结构的扰动较大,甚至出现加固后结构内力反向的情况.因此,采用改变结构体系加固法应持慎重态度.如需采用,应对原结构进行详细检测、检算,并对加固后结构及相关构件进行全面验算,以确保在加固施工及运营期间的安全性.

4 工程实例

大连市胜利桥位于大连西岗区,于1907年建成,至今107年之久.该桥为混凝土五跨连续拱桥,跨径布置8.3+26.44+25.34+ 26.44+8.3=94.82(m),其中三个主孔净跨为22.5 m,桥宽16.5 m,车道宽11.6 m.由于建成年代久远,年久失修,此桥附属构件和拱圈破损严重.且该桥下跨多条铁路,该桥的安全使用对桥下铁路的正常运营也非常重要.

该桥梁在运营100多年后,结构的材料和线型都发生了改变.在现有线型和材料特性作用下,拱圈结构的承载力极限状态不能满足现有通行要求,已经出现了严重的钢筋外露现象和拱底裂缝.在现行载荷作用下,拱桥已无法满足使用要求,需要进行加固处理[8].

4.1 桥体技术状况评定

该桥总体技术状况等级评定参照《公路桥涵养护规范》(JTGH 11—2004 )及《城市桥梁养护技术规范》(JJ99—2003)的评定方法,采用分层法分别对桥面系、上部结构、下部结构进行评估,综合得出整个桥梁技术状况评估.

桥面系技术状况采用指数BCIm表示,根据桥面铺装、排水系统、人行道、栏杆、桥头平顺及伸缩缝等要素的损坏扣除分值,根据该桥的检测结果得出该桥的BCIm=78.10.

同样经检测上部结构技术状况指数BCIk=30.08,下部结构技术状况指数BCIλ=81.37.

桥梁整体技术状况评定:根据《城市桥梁养护技术规范》(CJJ99—2003),桥梁结构组成部分的权重分为三部分,桥面系0.15,上部结构0.4,下部结构0.45.

整个桥梁的技术状况指标BCI为:

由上可知胜利桥整体完好状况等级为E,是一座处于危险状态的桥梁.

4.2 有限元数值计算分析

(1) 该计算模型采用梁单元,节点数154,单元数146,如图1所示.

图1 胜利桥计算模型Fig.1 The model of Shengli Bridge

(2) 经计算,承载力极限状态下结构内力如图2～图4所示.

(3) 使用阶段正截面抗裂验算结果如图5～图6所示.

在弹性组合作用下,拱圈跨中区域截面下缘和拱脚处截面上缘均出现拉应力,拱圈拉应力极值是材料容许限值的3倍多,拱圈正截面抗裂验算不满足规范要求,需要对该桥梁进行加固设计.

图2 承载力极限状态结构轴力图(单位: kN)

图3 承载力极限状态结构剪力图(单位: kN)

图4 承载力极限状态结构弯矩图(单位: kN·m)

图5 弹性组合作用下上缘应力包络图(单位: MPa)

图6 弹性组合作用下下缘应力包络图(单位: MPa)

5 加固方案

针对该桥的实际情况,提出加固方案如下:

(1) 拱底表层处理,具体方法为对拱底裸露钢筋进行打磨并喷射混凝土层;

(2) 拱圈内植筋,植筋的大体位置如图7所示;

图7 植筋位置与钢板形状图

(3) 绑扎钢筋网,拱圈内的钢筋植入完成后,在拱圈底层绑扎一层钢筋网;

(4) 吊表层钢板,钢板的形状如图7所示,与原拱底线性基本一致;

(5) 压入自流混凝土,压入的混凝土应该有良好的级配和易性.

6 结 语

本文根据分层法分别对桥面系、上部结构、下部结构进行评估,确定桥梁完好状况为E级.同时运用桥梁设计通用软件Midas/Civil对桥梁当前的受力状况进行分析计算,并提出切实可行的加固方案.

此加固方案的使用范围如下:①在现行使用载荷作用下,原桥梁结构的配筋量不足,桥梁结构的极限承载力不满足通行需要;②原构件受拉主钢筋严重腐蚀或受损甚至出现露筋的现象,对结构的安全性造成极大隐患;③原构件的刚度和抗裂性不满足要求.本文讨论的方法对以后此类型桥梁的加固有一定的借鉴意义.

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