城市混凝土橋梁加固方案設(shè)計(jì)優(yōu)化
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摘要：由于不同因素的影響，城市橋梁會(huì)表現(xiàn)出多種病害。為了防止病害對(duì)橋梁的安全性造成影響，應(yīng)對(duì)病害部位進(jìn)行加固。本文針對(duì)城市橋梁加固進(jìn)行了以下內(nèi)容研究：城市橋梁主要病害，通過(guò)實(shí)際工程對(duì)病害及承載力進(jìn)行了分析，提出兩種解決方案，經(jīng)過(guò)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最佳方案；并根據(jù)以上內(nèi)容的研究，為城市橋梁病害加固處治提供了理論參考。
關(guān)鍵詞：城市橋梁；橋安全性；承載力
1前言
城市橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于材料的特性或環(huán)境影響等因素，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)不同程度的變形和損傷，最終導(dǎo)致橋梁承載能力不足而發(fā)生破壞。通常情況下，我們將這些損傷和變形定義為橋梁的病害[1]。城市橋梁病害日益嚴(yán)重，給橋梁的使用帶來(lái)了嚴(yán)重影響，甚至造成安全事故。因此，解決城市橋梁病害、對(duì)橋梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
2城市橋梁主要病害
2.1裂縫
裂縫是橋梁病害中最常見也是最危險(xiǎn)的病害，且裂縫產(chǎn)生的原因和機(jī)理也各不相同[2]。
2.1.1結(jié)構(gòu)性裂縫結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生主要是外部荷載作用引起的，裂縫的分布和荷載大小有關(guān)。裂縫按受力特性分類可以分為三類，每種裂縫產(chǎn)生的主要原因如表1所示。
2.1.2非結(jié)構(gòu)性裂縫非結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在變形受到限制時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生自應(yīng)力，當(dāng)自應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫。引起混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自應(yīng)力的因素有：溫度變化和結(jié)構(gòu)材料自身的收縮徐變[3]。在混凝土的裂縫病害中，主要存在的是非結(jié)構(gòu)裂縫。
2.1.3混凝土收縮裂縫混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中骨料會(huì)不斷擠密壓實(shí)，水分不斷蒸發(fā)，使結(jié)構(gòu)整體發(fā)生收縮變化。混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)表面，由于鋼筋的拉力作用使混凝土裂縫受到阻礙只表現(xiàn)為較小縫隙，一般寬度為0.05～0.2mm，裂縫分布無(wú)明顯變化規(guī)律。收縮裂縫不影響結(jié)構(gòu)的正常使用，主要影響耐久性和外觀。
2.1.4溫度裂縫當(dāng)橋梁內(nèi)部溫度隨周邊環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土就會(huì)出現(xiàn)收縮和膨脹。橋梁的主要材料鋼筋和混凝土兩者的溫度敏感程度不同，導(dǎo)致自身溫度發(fā)生變化，鋼筋和混凝土存在溫差，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生改變，最終混凝土出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象[4]。
2.2剝蝕
混凝土橋梁表層結(jié)構(gòu)病害的主要表現(xiàn)形式有：麻面、蜂窩、空洞等。麻面是在混凝土的表層出現(xiàn)漿液缺少但未有鋼筋外露的情況，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)表面粗糙。蜂窩病害的主要表現(xiàn)是混凝土局部出現(xiàn)類似蜂窩的孔洞，病害產(chǎn)生原因：設(shè)計(jì)施工不合理、混凝土的配比偏差較大、混凝土的離析現(xiàn)象等。空洞是構(gòu)件局部結(jié)構(gòu)混凝土缺失的現(xiàn)象，病害產(chǎn)生原因：配筋保守、混凝土振搗不徹底、混凝土漏漿等。剝落是混凝土砂漿脫落、集料外漏的現(xiàn)象[5]。
3案例分析
3.1工程概況
本文所依托的工程為國(guó)道328駐馬店市境跨鐵立交橋，其全長(zhǎng)為640m，橋梁共5聯(lián)，結(jié)構(gòu)形式均為箱梁，橋梁的下部結(jié)構(gòu)采用的基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁，橋面形式為：人行道（2.5m）+行車道（20m）+人行道（2.5m）。設(shè)計(jì)速度為60km/h，人群荷載為3.5kN/m2。本文依托其第3聯(lián)，橋梁形式為鋼筋混凝土箱梁，雙箱雙室。橋梁立面如圖1所示。
3.2病害分析
該城市橋梁出現(xiàn)病害的主要原因有以下幾點(diǎn)：
3.2.1該城市橋梁建立時(shí)間較早，設(shè)計(jì)時(shí)采用的是舊規(guī)范、舊指標(biāo)，性比于現(xiàn)在的指標(biāo)要求較低。該橋梁位于城市主干路，承載著該城市的主要交通流量，長(zhǎng)時(shí)間的荷載作用下，使橋梁混凝土產(chǎn)生收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失以及裂縫等病害，降低了橋梁的抗彎和抗剪承載力，安全性不足。
3.2.2本文進(jìn)行加固段橋梁為第三聯(lián)箱梁，結(jié)構(gòu)形式為雙箱雙室，除支點(diǎn)附近4m范圍內(nèi)加厚外，其他位置頂板厚25cm，底板厚20cm，外腹板厚30cm，板厚偏小，一些截面抗彎、抗剪能力不足。
3.2.3該橋梁病害位置為下坡路段，且不遠(yuǎn)處有一紅路燈，急剎車造成沖擊力較大，對(duì)箱梁的影響較大。
3.2.4該段橋梁的箱梁產(chǎn)生過(guò)大撓度，底板混凝土由于開裂嚴(yán)重而重新澆注，同時(shí)增加了腹板。該結(jié)構(gòu)表明橋梁施工過(guò)程中混凝土質(zhì)量存在缺陷，支架變形造成箱梁施工后出現(xiàn)開裂、下?lián)系炔『Α?/p>
3.3承載力分析
通過(guò)對(duì)該段橋梁進(jìn)行承載力分析可知：
3.3.1該段除11號(hào)墩外，其余各段墩頂截面的抗彎承載力均不達(dá)標(biāo)，同時(shí)第10跨墩頂截面的抗剪強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求[6]。
3.3.2該段的抗彎和抗剪能力均降低，對(duì)抗剪強(qiáng)度影響較大；除11號(hào)墩墩頂截面抗彎能力滿足要求，剩余截面均不滿足要求。
4.1A方案設(shè)計(jì)
該方案設(shè)計(jì)主要對(duì)箱梁進(jìn)行拆除，保留原有墩臺(tái)。新建箱梁尺寸及標(biāo)高均應(yīng)與原橋相同，箱梁內(nèi)設(shè)置腹板。該設(shè)計(jì)橋梁縱坡均通過(guò)墩高進(jìn)行調(diào)整，箱梁底鋪設(shè)鋼板，保證縱坡與路線縱坡一致，主梁支座應(yīng)水平；橋面橫坡通過(guò)三角墊層調(diào)整，滿足橫坡的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用原材料為：預(yù)應(yīng)力混凝土采用C50，人行道采用C30，鋼筋采用HPB300以及HRB400的鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用直徑為15.2mm，抗拉強(qiáng)度為1860MPa，力學(xué)性能應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)測(cè)算A方案的預(yù)算為1450萬(wàn)，工期為250d，橋面拆除會(huì)造成交通中斷。為保證道路通行，需設(shè)置臨時(shí)便道，拆除選擇爆破拆除的方式[7]。
4.2B方案設(shè)計(jì)
B方案采用鋼板－混凝土組合結(jié)構(gòu)，并布置預(yù)應(yīng)力筋加固。在箱梁的腹板外側(cè)、底板下側(cè)進(jìn)行包鋼處理，原梁體進(jìn)行植筋處理，加厚的混凝土內(nèi)設(shè)置鋼束，并對(duì)其進(jìn)行張拉，使原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)形成整體，共同受力，充分利用材料的性能優(yōu)勢(shì)，提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，增大箱梁截面的尺寸。經(jīng)過(guò)對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行承載能力驗(yàn)算可知：該段箱梁進(jìn)行加固后，橋梁的抗彎、抗剪承載力滿足要求，抗彎承載力比加固前提高了53%，抗剪承載力比加固前提高了27%。另外，由行車荷載產(chǎn)生的跨中撓度符合設(shè)計(jì)要求，撓度值比加固前減小18%以上，截面裂縫寬度也比加固前大幅度減小。經(jīng)測(cè)算A方案的預(yù)算為750萬(wàn)，工期為105d，施工過(guò)程不會(huì)造成交通中斷，對(duì)環(huán)境影響較小。
5優(yōu)化設(shè)計(jì)
本文從費(fèi)用、工期、社會(huì)影響、橋梁壽命、承載力變化等方面對(duì)A、B方案進(jìn)行了比較，結(jié)果見表2所示。橋梁加固方案優(yōu)化設(shè)計(jì)是量化進(jìn)行的，采用綜合影響值表示目標(biāo)值Z，通過(guò)對(duì)目標(biāo)值Z進(jìn)行線性函數(shù)的構(gòu)造，得到計(jì)算公式。最終根據(jù)Z的取值說(shuō)明方案的優(yōu)劣。通過(guò)計(jì)算可知Z(A)=592.5，Z(B)=230，Z值越小，方案越優(yōu)，所以B方案要優(yōu)于A方案。
6結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)城市橋梁加固方案的分析得出以下結(jié)論：
6.1城市橋梁的主要病害為裂縫和剝落，裂縫分為結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫。剝落現(xiàn)象主要表現(xiàn)在混凝土的保護(hù)層。
6.2通過(guò)工程實(shí)例對(duì)橋梁的病害和承載力進(jìn)行了分析，并針對(duì)性地提出了A、B兩種加固設(shè)計(jì)方案。通過(guò)影響因素的對(duì)比，進(jìn)行量化分析，最終得到B方案比A方案更可取。
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作者：戚振中 單位：駐馬店市公路事業(yè)發(fā)展中心
