基于荷载试验的桥梁加固设计方法研究

基于荷载试验的桥梁加固设计方法研究

自20世纪90年代初以来，中国的桥梁建设取得了优异的成绩。然而，随着桥梁结构的不断发展，桥梁结构的问题日益突出。特别是近年来，桥梁安全事故频发，尤其是近年来，新桥梁和旧桥发生了重大安全事故，如倒塌和严重裂缝。因此，我国的桥梁建设进入了新、改造、维修的过渡阶段，桥梁的重建和加固任务越来越艰巨。桥梁结构自重大,一般均采用带载加固。构件自重及先期恒载产生的内力由原结构承担,活载(车辆荷载)及后加恒载产生的内力由加固后的组合截面共同承担,加固设计计算必须考虑分阶段受力的影响,这是桥梁加固设计区别于一般结构设计的最大特点。鉴于桥梁加固设计的特殊性,本文以某高速公路立交枢纽工程的加固为例,提出通过桥梁荷载试验来检验桥梁加固的实际效果,为桥梁加固方法的合理应用提供良好的工程实践经验。1桥梁加固方法的分类和技术特点桥梁加固的方法很多,从工作原理上可划分为被动加固和主动加固两大类。1.1复合纤维材料加固在被加固构件的受拉区(或抗剪薄弱区)直接增设抗拉(或抗剪)补强材料,例如:补焊钢筋、粘贴钢板、粘贴高强复合纤维材料(碳纤维、芳纶纤维)等;在被加固构件的受压区加混凝土进行补强,例如加厚桥面板等;增加辅助构件,改变结构体系,以调整结构内力,减轻原梁负担等。这类加固方法从作用原理上属于被动加固范畴。后加补强材料被动受力,只承担活载(车辆荷载)和后加恒载引起的内力。1.2加固梁体预应力对布置在被加固构件受拉区(或抗剪薄弱区)的后加补强材料施加预应力,形成预应力加固系统,例如:体外预应力加固和采用锚固于被加固梁体上的预应力筋,然后喷注高性能抗拉复合砂浆,将其与被加固梁体粘结为一体的有粘结预应力加固等。从工作原理上讲,预应力加固属于主动加固,后加补强材料主动受力,靠预加力的作用,改善原结构的工作状态,间接达到加固补强的目的。2结构特点、设计要点某高速公路立交枢纽工程的加固包括主线桥与匝道桥,本文以主线桥的一联(30m+40m+30m)现浇变截面预应力混凝土连续箱梁和匝道桥的一联4×28m现浇等截面预应力混凝土连续箱梁的加固为例。主线桥的箱梁横断面为单箱两室(见图1),底板宽7.6m,顶板宽11.8m,两侧翼缘悬臂长2.1m。跨中梁高1.6m,中墩处梁高2.5m,顶板厚20cm,底板厚20~60cm,腹板厚40~55cm。匝道桥的箱梁横断面为单箱单室(见图2),底板宽4.6m,顶板宽9.3m,两侧翼缘悬臂长2.35m。梁高1.6m,顶板厚22cm,腹板厚40~60cm;底板厚25~45cm。该桥箱梁跨中区段底板存在横桥向裂缝,腹板存在竖向裂缝;且在静载试验过程中,裂缝进一步开展,导致桥梁实测挠度与应力均大于计算值;动载试验的应变动态增量较通常情况偏大,因此对该桥进行加固补强。主线桥按B类构件进行加固,采用主动加固(体外预应力加固体系)与被动加固(粘贴钢板和粘贴碳纤维布)相结合的方法进行加固,加固设计要点如下:(1)在边跨箱梁内增设4束7ΦS15.2无粘结体外预应力钢束,在中跨箱梁内增设6束无粘结体外预应力钢束。(2)在箱梁底板上粘贴8条宽30cm的6mm厚钢板,然后在铺设一层直径3.2mm不锈钢绞线网片并涂一层3cm厚渗透性聚合砂浆。(3)在箱梁腹板外侧面粘贴2条长13m、宽50cm、厚0.167mm的碳纤维布。(4)施工顺序:先增设体外预应力钢绞线,再粘贴腹板碳纤维布,然后进行底板粘贴钢板,最后施工不锈钢绞线聚合砂浆,见图3。匝道桥按B类构件进行加固,采用先主动加固(体外预应力加固体系),然后在荷载试验基础上再进行被动加固(粘贴钢板),加固设计要点如下:(1)在箱梁内布置4束7ΦS15.2无粘结体外预应力钢束。(2)在箱梁的底板上粘贴27条宽10cm的6mm厚钢板条,在两侧腹板上各粘贴7条宽10cm的6mm厚钢板条,见图4。(3)施工顺序:先增设箱梁内体外预应力钢绞线,荷载试验后再粘贴钢板条。3加固后的负载试验本文通过对桥梁加固前后在相同试验荷载作用下的挠度与裂缝宽度的对比来评价桥梁的加固效果。3.1加固前、后的挠度结果分析主线桥的荷载试验包括加固前和加固后两次试验,加固前后实测挠度及其与计算值的对比情况见表1。主线桥中跨跨中底板横桥向裂缝加固前后在试验荷载作用下的实测裂缝宽度对比情况见表2。由表1可知,加固后边跨与中跨的实测挠度均比加固前明显降低,且加固前中跨跨中实测挠度值大于计算值,而加固后中跨跨中实测挠度值小于计算值,表明加固后结构的刚度和承载能力满足检测规范要求。由表2可知,由于体外预应力束的作用,加固后裂缝的初始宽度闭合了0.02mm;加固后裂缝宽度的活载增大值比加固前明显减少,且加固后恒活载裂缝总宽小于规范规定的B类构件裂缝宽度允许值0.15mm。由此说明,主线桥通过此次主动加固与被动加固相结合的加固方式,提高了桥梁结构的承载能力,并使桥梁的使用功能及耐久性均得到了有效的补充。3.2增强板竖向裂缝在荷载作用下的稳定性匝道桥的荷载试验分两次进行,第一次为主动加固(增设体外预应力束)后,第二次为被动加固(粘贴钢板条)后。加固前后实测挠度及其与计算值的对比情况见表3。匝道桥边跨跨中区段的底板横桥向裂缝和腹板竖向裂缝分别在两次加固后的试验荷载作用下的实测裂缝宽度对比情况见表4。由表3可知,增设体外预应力束和粘贴钢板条均能提高桥梁结构的刚度,即能降低桥梁在荷载作用下的挠度值,从而提高桥梁的承载能力。由表4可知,增设体外预应力束对于限制裂缝的开展效果不明显,而粘贴钢板条能有效地限制裂缝的开展,使得裂缝宽度的活载增大值明显减少,使得恒活载裂缝总宽小于规范规定的允许值。由此说明,匝道桥经增设体外预应力束加固后,结构的承载能力得到了有效提高,但不能限制裂缝的开展,而粘贴钢板条后,裂缝在活载作用下的变化受到明显限制。因此,两次加固的配合作用,有效提高了桥梁的承载能力和耐久性。4对桥梁结构的进行合理的加固方式,提高了桥梁结构的使用功能,提高了桥梁耐久性综上所述,增设体外预应力束的主动加固方式能有效地提高桥梁的承载能力,也能使裂缝宽度在加固后产生闭合,却不能有效限制裂缝在活载作用下的开展情况,而粘贴钢板的被动加固方式却能