上承式钢管混凝土拱桥桥道系病害分析和加固

曾 洋,李 蒙

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430050)

1 桥梁概述

南里渡特大桥位于湖北省恩施州恩施市G318沪聂线上,为沪蓉国道主干线湖北省西段改建工程中的一座独立特大桥。主桥系钢管混凝土桁架无铰拱,净跨径220 m,净矢高44 m。主拱圈钢管混凝土拱肋截面由拱顶至拱脚逐步增大,两条拱肋中心距为7.4 m,每条拱肋由四根Φ920 mm×14 mm的上、下弦钢管混凝土杆和Φ355.6 mm×7 mm的钢管平联杆组成,两拱肋通过横撑连成整体以加强其共同受力,主跨拱肋的拱座采用钢筋混凝土拱座,支承于岩体上。拱上立柱采用Φ355.6 mm×8 mm钢管混凝土结构,每个立柱包含8根钢管混凝土柱,柱间采用钢管连接,柱顶通过预埋钢板与预制钢筋混凝土盖梁连接。拱上建筑采用20 m跨度普通钢筋混凝土简支T梁,桥面连续,伸缩缝设在交界墩处。桥面铺装下层为8 cm混凝土现浇层,上层为4.5 cm沥青混凝土桥面宽度13.2 m,桥梁于2002年建成通车。

现状桥道系所有T梁腹板普遍存在U型裂缝,裂缝集中在T梁纵向(1/4～3/4)L范围内,裂缝纵向间距在0.1～0.3 m之间,裂缝长为15～150 cm,宽为0.1～0.3 mm,共计发现1 286条U型裂缝,裂缝总长322.1m,最大宽度0.3 mm,超过《公路桥涵养护规范》(JTG 5120—2021)中关于钢筋混凝土结构竖向裂缝的限值规定。

现状桥面铺装粗骨料外露情况普遍,沥青层局部破损面积大,桥面纵横向裂缝较多,且大多已灌缝处治。纵横向裂缝整体分布存在一定的规律性,纵向裂缝多位于T梁横向接缝处,且裂缝长度较长,部分贯通整跨;横向裂缝出现在每个桥面连续墩顶,拱顶处裂缝病害最为严重,现场发现拱顶处裂缝修补后依然开裂。

2 桥梁病害成因分析

2.1 桥道系T梁裂缝分析

分析T梁裂缝产生原因,主要有以下两点:(1)建设期施工养护不当,混凝土收缩和温度作用产生裂缝,后在桥梁运营过程中不断发展。(2)桥梁位于鄂西国道干线,重载交通逐年增多,受疲劳作用的影响,桥道系T梁出现U型裂缝,该桥T梁U型裂缝较多,U型裂缝主要分布在T梁纵向(1/4～3/4)L位置,部分裂缝宽度超过规范限值,U型裂缝的产生与重载交通的增多密切相关。

为了探究现状桥梁结构安全性,结合主梁材料专项检测报告和承载能力评定规程,引入承载能力修正系数,对设计状态的T梁承载能力进行修正,验 算现状桥道系20 m T梁受力性能。计算结果表明,引入承载能力修正系数后,边、中梁正截面抗弯承载力已不能满足原设计规范要求。同时按现 行规范车道荷载对T梁进行加载,在基本组合下结构承载能力富余不足。随着桥位处汽车荷载的加大、环境因素的影响,桥道系T梁承载能力下降。

2.2 桥面铺装裂缝分析

对于常规的钢筋混凝土简支T梁桥而言,T梁设置于桩柱式桥墩之上,受下部结构影响小,南里渡特大桥上部结构支撑于拱圈之上,钢管混凝土拱圈在外部荷载、收缩徐变、温度变化的影响下均会产生变形,对上部结构造成影响。为了研究各种因素影响的大小,利用midas Civil软件建立全桥有限元模型。模型拱脚处设置固定约束,拱上立柱与主拱圈共节点,立柱与T梁采用弹性连接,桥面铺装采用板单元,并在墩顶处释放梁端约束。模型共计3 357个节点、6 189个单元。

通过模型分析整体桥梁在汽车荷载、材料徐变、温度作用下的变形,因桥面铺装裂缝主要集中在墩顶处,故计算时主要关注墩顶处的桥面变形。查阅资料得知恩施当地极端最低气温为-14.8 ℃,极端最高气温为 41.2 ℃,相应地在模型中模拟整体升温20 ℃和整体降温30 ℃时工况。结果见图1～图4。

图1 汽车荷载作用下各桥墩处桥面位移

图2 徐变作用下各桥墩处桥面位移

图3 整体升温20 ℃各桥墩处桥面位移

图4 整体降温30 ℃各桥墩处桥面位移

查阅历次检测报告中桥面线形测量值,恰在大气温度6 ℃和26 ℃时有桥梁标高实测值记录,两种大气温度下实测主桥(1/4～3/4)L跨桥面高程差为40～82 mm。模型模拟可知在主桥升温20 ℃工况下,主桥(1/4～3/4)L跨整体抬升43.5～72.5 mm。考虑到测量误差、温度误差及车辆荷载的影响,认为实测桥面线形变化与理论计算分析基本一致,证明模型计算结果的可靠性。由计算结果可知,车辆荷载和徐变对桥面线形的影响较小,但较大的温度变化会使桥梁产生往复的上下变形。

南里渡大桥桥道系T梁20 m一跨,结构简支桥面连续,桥面现浇层采用Φ8钢筋网,且在桥面连续处钢筋未进行加密处理。每跨6片T梁横向在横隔板顶底部通过一块钢板连接。综合分析,因为该桥横向联系弱,且桥面连续处未做加强,在汽车荷载、环境温度的影响下,桥道系桥面铺装纵横向接缝处应力较大,长期往复变形作用下桥面铺装产生大量裂缝,即使对裂缝及时灌缝处理,由于接缝强度不足,随着时间推移裂缝还将再次出现。

3 加固设计

3.1 T梁体外预应力加固

(1)适当提高梁体抗弯承载能力,并具有一定的安全储备。

(2)提供一定的压应力,抵消部分活载产生的拉应力,改善T梁应力状况,封闭裂缝,提高耐久性。

相比粘贴钢板等被动加固方式,体外预应力更适合钢筋混凝土T梁主动加固。目前体外预应力在T梁加固中普遍采用折线形布束,这种布束既能解决T梁跨中抗弯承载力的不足也能改善端部抗剪承载力。南里渡大桥上部结构T梁主要问题为跨中承载力不足,端部抗剪承载力足够,如采用折线形布束,则会造成材料浪费,同时增加施工难度。从实际出发,在T梁折线形布束方案的基础上进行针对性改进,将钢束调整为在(1/4～3/4)L区域T梁底面直线布置,直线形布束取消钢束转向块,加固系统主要由锚固块、钢束、减震器组成,结构形式简约,利于批量工业化生产。

常用的锚固块设计有钢锚固块和混凝土锚固块。钢锚固块重量更轻,强度更大,对原桥恒载影响小。钢结构便于工厂化预制,施工效率更高,工厂预制钢板镀锌防腐和焊缝处理均优于现场安装,对于批量加固工程,钢锚固块优势明显。在构造满足要求的前提下,为了方便运输和安装,需将钢锚固块尽量做小。钢锚固块由锚固部分和连接部分组成,锚固部分承受钢束的局部压力,构造尺寸主要由锚具大小决定,连接部分通过对穿锚栓和粘钢胶将锚固块钢板与T梁腹板连接,锚栓的布置和数量决定了连接部分的构造大小。

对穿螺栓和粘钢胶将钢束的拉力传递到梁体,考虑到实际施工过程中粘钢胶材料性能和压注工艺的不确定性,计算时偏安全地不考虑粘钢胶提供的抗剪力,提出锚栓布置的简化计算公式为

fpdApe≤0.5fmAsmn

(1)

式中:fpd为体外索的抗拉强度设计值,MPa;Ape为体外索的截面面积,mm2;fm为单个锚栓的抗剪强度设计值,MPa;As为单个锚栓的截面面积,mm2;m为锚栓的横向排数,排;n为锚栓的竖向列数,列。考虑到群锚受力时各锚栓受力的不均匀性,公式中考虑0.5的抗力降低系数。

根据T梁承载能力欠缺量,南里渡大桥T梁腹板底部设置5Φs15.2体外预应力钢束进行补强,采用15-5锚具、钢结构锚固块,钢束标准抗拉强度为1 860 MPa,锚下张拉控制应力为930 MPa,整跨同步分级单端张拉。锚固块采用对穿8.8级普通M20锚栓与T梁腹板连接,锚栓抗剪强度设计值为290 MPa,锚栓间距20 cm。根据公式(1)计算,需对穿锚栓12个。采用m=6、n=2的布置方案。

锚固块钢板和钢管均采用Q355B钢材,采用体有限元分析软件midas FEA 对钢锚固块进行安全性分析,将钢束作用力等效为压力施加在承压钢板上并建立螺栓孔,在孔壁施加固结约束,网格划分采用四面体实体单元。

计算结果表明,锚固块的最大应力出现在靠近端部锚栓孔处,为92.6 MPa,最大位移出现在预应力钢束承压板处,为0.179 mm,最大反力出现在应力最大锚栓孔处,为15 kN,计算结果均能满足锚固块钢材和对穿螺栓的受力要求。从模型分析结果可见,锚栓的受力存在不均匀性,靠近T梁端部的螺栓受力大于靠近跨中的螺栓,靠近梁底的螺栓受力大于考虑顶板的螺栓。

采用有限元分析软件midas FEA 对T梁锚固区进行计算分析,选取单片梁一半梁体建立有限元实体模型,边界条件为跨中截面固结,T梁腹板剪切荷载根据应力面积等效加载值为0.55 MPa,加载范围为锚固块连接钢板的面积:1 150 mm×515 mm。

计算结果表明,在体外预应力的作用下,T梁跨中底板有7.5 MPa的压应力储备,T梁最大拉应力出现在T梁顶板,为0.46 MPa,应力值均满足混凝土的强度要求,所以在体外预应力作用下,锚固区和T梁顶板受力安全,同时T梁底板获得压应力储备,T梁承载能力提升。

3.2 桥道系整体性加强

(1)根据前述原因分析,桥面铺装墩顶横向裂缝的主要原因是拱圈上下往复变形导致的疲劳破坏,次要原因是原设计桥面现浇层采用Φ6钢筋网,现浇层整体性较差,在桥面连续处连接较弱。加固时考虑将桥面铺装刚度增强,以适应这种往复变形。提出两种加固方案:①方案一,UHPC(超高性能混凝土)加固。将原桥面铺装凿除重做,现浇层采用常温养护UHPC,配双层Φ12钢筋网;②方案二,常规加固。将原桥面铺装凿除重做,现浇层采用双层Φ12钢筋网。具体方案对比见表1。

表1 桥面铺装加固方案对比表

UHPC作为一种新型的建筑材料,具有超高的强度、耐久性、材料韧性和良好的流动性,UHPC桥面现浇层能很好地解决桥面连续处强度不足问题,同时增加桥面铺装层强度和刚度,配合T梁横向加固措施,能有效改善桥道系现状。

新的桥面现浇层通过植筋与原梁体连接,植筋施工应严格按要求进行,保证植筋深度和植筋的抗拔力,以保证新老混凝土的层间联结,使现浇层和T梁共同受力。UHPC浇筑前应做材料试验,保证其强度,现场浇筑时严格控制养护措施,保证施工质量。

(2)由于T梁间连接钢板较弱,本次采用包夹钢板增强T梁横向联系,施工步骤如下:①横隔板裂缝封闭、错台聚合物水泥砂浆修补、原钢板除锈补焊;②包夹钢板螺栓定位钻孔;③安装两侧加固钢板,通过锚栓固定;④安装底钢板并与两侧钢板焊接;⑤压注粘钢胶。

4 结 论

(1)体外预应力加固是钢筋混凝土结构承载能力不足时有效的主动加固方式,不同于目前常用的体外预应力布束方式,提出一种钢筋混凝土T梁的简约加固措施,并给出锚固块与T梁连接的螺栓布置公式,将体外预应力装置轻量化。

(2)上承式钢管混凝土拱桥温变特性明显,桥位处温度变化较大时,拱圈上下变形明显,为了适应这种变形,桥道系在设计时更宜采用变形协调性良好的连续结构,当采用简支结构时应加强桥道系横向整体性和墩顶桥面铺装韧性设计。