浅析某在役城市立交桥的加固设计研究.doc

浅析某在役城市立交桥的加固设计研究 摘要：基于现代城市交通日益繁忙及对某城市立交的病害调查，分析了该立交裂缝损伤产生的主要原因。通过详细地对原结构桥梁的应力状态分析，所设计的加固方案可以有效地改善部分截面主拉应力已经接近混凝土抗拉强度临界值，有效提高桥梁的承载能力。本次加固设计研究，可供同类结构设计参考。关键词：立交桥 裂缝 计算分析 加固设计1 项目概况现状互通式立交主桥上跨孙坂路，主线桥分左右两幅，上部结构为现浇钢筋混凝土连续梁，结构形式为 17m+25.5m+17m 三跨连续箱梁，斜交角度为135度，重力式U型桥台。右幅（内）为单箱单室，面宽 11.75m，底宽 5.15m；左幅（外）为双箱单室，面宽 15.75m，单片梁底宽 3.5m，梁体中心高度均为 1.3m。桥面净宽 28.5m，桥面横坡为 3%。 原设计荷载为汽车-超 20 级，挂车-120，于一九九七年六月竣工。箱梁构造示意图如下图 1.1-1.2 所示。 图 1.1 主线桥左幅箱梁构造示意图图 1.2 主线桥左幅箱梁构造示意图 2 桥梁主要病害及原因分析该立交桥于1997年建成通车，已投入运营10多年。在各种因素的影响下，两幅桥上部箱梁出现较多裂缝，且多处裂缝超过限值，宽度0.3mm以上的裂缝有148条，最大裂缝宽度达到1.1mm，8个支座处也出现不同程度的裂缝，以及多处砼剥落、钢筋锈蚀等等，主梁混凝土回弹强度大于60Mpa，技术状况评定该立交为三类桥。 照片1 裂缝 照片2 钢筋锈蚀 照片3 腹板裂缝 照片4 露筋 严重锈蚀 照片5 支座变形 照片6支座开裂依据病害调查报告书中显示裂缝的形状和分布形式两方面分析，该立交桥箱梁裂缝产生的主要原因如下：（1）使用荷载超限。随着城市道路运输量的大幅增加，车辆荷载的超限现象非常普遍，货运机动车单车重量已远远超过当时设计规范的设计值，这将直接导致桥梁关键部位承受超过设计允许的荷载而使梁体出现较大裂缝，因此该立交桥腹板等部位出现较多裂缝与大量超载车辆通行有直接的关系。（2）钢筋锈蚀。由于普通钢筋混凝土本身是带裂缝工作的，加上周边空气湿度等外界因素的影响，部分保护层厚度不够的钢筋就会产生锈蚀，使原本未超标的裂缝继续扩大，给桥梁带来各种病害。 3 原结构复算及现状结构结构检算3.1 原结构按原设计规范复核计算由于该立交桥没有施工过程检测的纪录且已建成运营10余年以上，因此依据原施工图所确定的结构尺寸及普通钢筋配置等设计资料，不考虑结构的裂缝、损伤等影响，考虑到原施工图设计是采用公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTJ 023-85规范，因此本次也采用此规范进行了成桥、 运营阶段的复核计算。1）原结构抗力验算结果如下：承载能力极限状态验算见下表所示：连续箱梁截面极限承载能力抗弯验算截面位置计算弯矩Mj（kN.m）抗力MR（kN.m）是否满足富余量边跨跨中804015800是49.1%中跨跨中1240015800是21.5%桥墩支座附近-10600-11900是10.9%连续箱梁截面极限承载能力抗剪验算位置计算剪力Qj（kN）抗力QR（kN）是否满足富余量桥台支座附近18103470是47.8%桥墩支座附近31903470是8.0%验算结果表明，原桥梁设计截面抗弯和抗剪满足桥规 （JTJ 023-85）要求。2）原结构变形验算： 验算结果表明，在挂车荷载作用下连续箱梁结构变形，边跨最大为 2.0mm，中跨 最大为 4.0mm，变形满足桥规 （JTJ 023-85）要求。3）原结构持久状况构件应力验算： 正常使用状态下，原结构计截面应力计算结果如下，计算应力包络图如下图 正常使用状态应力包络图原结构持久状况构件控制截面应力验算结果如下表所示：正常使用状态下控制截面应力验算结果截面位置混凝土主压应力（Mpa）混凝土主拉应力（Mpa）受拉区钢筋应 力（Mpa）受压区钢筋应 力（Mpa）是否满足受力情况边跨跨中4.64-0.88-30.912.4是弯拉应力大中跨跨中8.75-0.58-85.834.3是弯拉应力大桥墩支座附近11.38-2.24-138.045.6是剪应力大验算结果表明，构件截面砼应力满足桥规 （JTJ 023-85）要求。4）原结构持久状况构件抗裂验算：原结构持久状况构件控制截面抗裂验算结果如下表所示：正常使用状态下控制截面抗裂验算结果截面位置长期荷载裂缝（mm）裂缝宽度限值（mm）是否满足受力情况边跨跨中0.080.2是下缘受拉中跨跨中0.1390.2是下缘受拉桥墩支座附近0.1380.2是上缘受拉由以上检算结果知，原结构符合钢筋混凝土构件设计要求。3.2 结构现状模拟检算由于客观条件的限制,桥梁结构实际承载能力只能依靠桥梁结构表观裂缝损伤调查结果进行假定。根据该立交桥梁体的损伤及开裂状况，假定按结构抗力损失 10计算。经过折减之后，检算结果见下表所示：考虑折减连续箱梁截面极限承载能力抗弯验算截面位置计算弯矩Mj（kN.m）抗力MR（kN.m）是否满足富余量边跨跨中804014220是43.5%中跨跨中1240014220是12.8%桥墩支座附近-10600-10710临界1.0%考虑折减连续箱梁截面极限承载能力抗剪验算位置计算剪力Qj（kN）抗力QR（kN）是否满足富余量桥台支座附近18103123是42.0%桥墩支座附近31903123否-2.0%以上验算结果表明，现阶段桥梁桥墩支座附件截面抗弯和抗剪富裕不足，不满足桥规（JTJ 023-85）要求，必须进行加固处理。按原设计状况并考虑截面失效 10的损伤和折减，现阶段截面混凝土应力计算结果如下：考虑折减连续箱梁截面应力验算结果截面位置混凝土主压应力（Mpa）混凝土主拉应力（Mpa）受拉区钢筋应力（Mpa）受压区钢筋应力（Mpa）是否满足受力情况边跨跨中5.104-0.968-33.9913.64是弯拉应力大中跨跨中9.625-0.638-94.3837.73是弯拉应力大桥墩支座附近12.518-2.464-151.850.16临界点剪应力大通过一系列计算分析，箱梁在考虑损伤的情况下，承载能力以及正常使用状态下仍然满足桥规（JTJ 023-85）要求，但部分截面主拉应力已经接近混凝土抗拉强度临界值，如果裂缝继续发展，桥梁将出现严重安全隐患，必须进行加固处理。4 加固方案及评定4.1 加固处理原则针对该立交桥的病害现状及裂缝成因分析，且对各类加固措施反复比选后，确定以下加固处理原则：箱梁裂缝出现较多，对箱梁梁底出现贯穿性通长纵裂，且伴有渗水 结晶现象，或0.2mm 裂缝密集者，认为结构可能从中“一分为二”，此时， 对裂缝采用“壁可法”注浆封闭处理后再贴 300g/m2 的碳纤维布，阻止裂缝的进一步发展，提高箱梁承载能力。对0.10mm的裂缝进行封闭处理，对0.10.2mm 的裂缝采用“壁可法”进行注浆封闭处理，并加强日常观测、养护。4.2 加固方案拟定根据以上处理原则，笔者经过多方研究必选，拟定以下加固方案：1）对全桥底板加固，先对裂缝采用“壁可法”注浆封闭处理后再满贴300g/m2 的碳纤维布，纤维方向为纵向；2）对1#和 4#桥台处3m 段箱梁腹板加固，先对裂缝采用“壁可法”注浆封闭处理后再贴300g/m2的U型碳纤维布，纤维方向为竖向和横向，靠近翼缘底板处采用50cm纵向压条。3）对2#和3#桥墩处左右各4m段箱梁腹板加固，先对裂缝采用“壁可法” 注浆封闭处理后再贴 6mm 厚 420cm 宽钢板（N1），N1钢板条方向为纵向，再在N1钢板上贴 6mm厚15cm 宽钢板（N2），间距为 40cm，N2钢板粘接方向为竖向倾斜45度。4.3 维修加固设计主要措施（1）对存在病害的8个支座采用更换支座的方法处理。在统一指挥下所有千斤顶慢慢用力整体顶起梁体，各千斤顶每次顶升23mm， 各千斤顶的顶升量相对高差控制在0.5mm以下，使梁体离开原支座10mm左右时，立即在盖梁与梁体间增设若干个钢筋混凝土预制块，以增加接触点和面积，提高顶升系统稳定性，确保桥梁整体安全。（2）对箱梁中出现的裂缝进行如下处理：1）、清理裂缝宽度在0.1mm以上的裂缝，沿裂缝深度凿除裂缝表层混凝土，以露出新鲜混凝土为宜，对其它所有要处理的裂缝，沿缝凿成24mm，宽46mm的V型槽，并凿毛裂缝内混凝土表面。2）、埋设灌浆嘴清缝处理后，用胶泥骑缝埋设、粘贴灌浆嘴，灌浆嘴的间距沿缝长依缝的宽窄以3540cm为宜，原则上宽缝可稀、窄缝可密，但每一条裂缝至少须各有一个进浆孔和排气孔。3）、封缝对压浆区域的裂缝，无论缝宽大小，原则上都应同时封闭，以防裂缝相互贯通而跑气跑胶。沿缝长先涂一层基液，待胶泥初凝后，再抹上一层胶泥，并除气泡抹平，待胶泥初凝后，表面用基液涂刷二层。4）、密封检查(气检)封缝材料固化后，沿缝涂刷一层肥皂水，并从灌浆嘴中通入气压为0.2MPa 的压缩空气，检查缝的密封效果。对漏气部位进行补封处理。5）、灌浆(1)灌浆材料配制：采用环氧水泥浆。(2)灌浆工艺：启灌之前，先接通管道，打开所有灌浆嘴上阀门，用气压为0.2MPa以上的压缩空气将管道及裂缝吹干净。灌浆顺序自下而上，由一端向另一端依次连续进行。灌浆压力以0.20.4MPa为宜，压力逐渐升高，防止骤然加压使裂缝扩大。（3）对箱梁采用粘贴钢板法和粘贴碳纤维布法加固处理。（a）粘碳纤维布加固粘贴面需整平,转角处打磨成园弧状,保持清洁及干燥；涂底胶 (A级)、用整平材料找平；粘碳纤维布:涂抹A级浸渍型胶,用特制的滚筒沿纤维方向挤除气泡,并使胶充分浸透碳纤维布，沿纤维方向的搭接长度不得少于200mm，碳纤布外粘粗砂，外粉25mm厚M10水泥砂浆。（b）粘钢加固首先要求基面平整,干净;在植筋位置处梁(柱)及钢板预钻孔;将处理好的钢板或型钢按图纸要求粘贴于构件基面上;植筋;灌胶；钢板表面粘粗砂一层, 外粉25mm厚M10水泥砂浆。 加固断面示意图4.4 加固后承载能力评定对需用钢板加固以提高承载能力，按现行混凝土结构加固设计规范GB50367-2006 第 10.2.310.2.6 条规定进行计算，其截面加固计算结果见下表。加固后承载能力评定表截面/内力设计内力Mj（Qj）加固后抗力MR（QR）加固后是否满足富余量边跨跨中弯矩（kN.m）804016353是50.8%中跨跨中弯矩（kN.m）1240016353是24.2%桥墩支座附近弯矩（kN.m）-10600-13388是20.8%桥台支座附近剪力（kN）18103591是49.6%桥墩支座附近剪力（kN）31903904是18.3% 该立交桥的加固设计大大有效地改善了部分截面主拉应力已经接近混凝土抗拉强度临界值，有效提高桥梁的承载能力，且在规范要求范围内，本加固方案均能满足现行桥梁规范要求，并保留有一定的安全储备。5、结束语近年来，由于城市建设的迅速发展，出现越来越多的城市桥梁病害，在役桥梁结构的加固设计是一项极其复杂的工作，需要结合桥梁结构实际病害的调查结果，制定合理的加固方案，并对加固前后桥梁的应力状态进行全面的计算分析。桥梁损伤状况的检测和评定是进行桥梁加固设计的基础，桥梁加固设计分析计算是确保桥梁加固成功的重要依据，桥梁加固施工质量则是保证桥梁承载能力加固的关键了。类似的工程国内越来越多，笔者希望通过本工程的总结，能对以后类似工程起到借鉴作用。参 考 文 献：（1）某设计院完成的孙坂互通式立交工程竣工图；（2）某市公路局中心实验室完成的城市立交桥梁外观调查报告；（3）JTG/T J22-2008公路桥梁加固设计规范；（4）GB 50367-2006混凝土结构加固设计规范；（5）JTJ 023-85公路钢筋混凝土及预应力混 凝土桥涵设计规范。