合宁高速公路某斜腿刚构桥梁的加固分析
本文所介绍的桥梁是合宁高速公路上的一座跨线桥(见图1)，其于1996年施工，跨径为22.4m+44.0m+22.4m，全长为88.8m，全宽为33.5m，系薄壁斜腿刚构桥。该桥上部结构采用预应力混凝土等截面箱梁，单箱三室截面，斜腿采用板式实体结构，张拉预应力粗钢筋，桥台及斜腿基础均采用扩大基础。
1.运营历史回顾
施工过程中，由于受到地质条件、施工工艺、天气等因素的影响。该桥于1997年1月13日建成后，即发现桥梁出现沉降。之后有关部门在桥上设立观测点，对桥梁沉降进行跟踪观测，并于1997年1月对该桥下部进行了处理，将斜腿基础尺寸扩大，并在每个基础上垂直设置了126根φ114x4mm的钢管锚杆，以控制其沉降。但是，由于原设计采用的预应力不能满足结构的使用要求，故四个斜腿基础虽然已经加固，沉降也得到了一定的控制，但是箱梁内部正、负弯矩区，剪力、主拉应力区已经发生了变化，部分区域抗正弯矩、抗剪、抗主拉应力配筋不足，从而导致横向裂缝和斜裂缝的产生。
2.桥梁使用现状分析
最新检测发现，梁体及桥台有大量的裂纹及露筋现象，且裂纹大多存在漏水、结晶现象，表明裂纹属于贯穿性裂纹，虽斜腿外观基本良好，但在梁体交汇处局部有漏水现象。具体情况为：
(a)现场外观检查表明，梁体在刚构斜腿两侧裂缝贯穿梁底，且漏水严重．普通钢筋、预应力钢筋均受到不同程度的侵蚀，影响了结构的耐久性，危及桥梁的安全使用；
(b)实测桥面高程表明，现状桥梁梁体已经发生不均匀沉降，线形达不到设计要求；
(c)结构总体不稳定，桥梁基础置于软弱土层中，致使桥梁下沉，结构受力体系发生了很大的变化，而且这种变化还将继续，会导致更严重的病害出现，甚至危及结构的安全；
(d)根据对历年沉降观测数据的分析，桥梁的历年累积沉降最大值为145mm，位置在大桩号斜腿处。
3.结构受力分析
桥跨布置为22.4m+44m+22.4m预应力混凝土等截面箱梁的斜腿刚构桥，计算过程中结合桥位处的气象、水文、地质等情况对上部结构进行了施工、承载能力及正常使用状态下的结构验算。
使用阶段的静力分析包括对成桥状态下的恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变、支座强迫位移计算及温度变化等荷载作用的计算。计算按有关规定对各种荷载进行了不同的组合．对结构的强度、刚度、应力和裂缝做了验算。计算表明，成桥状态下主梁在使用阶段最不利荷载组合下，边跨底板出现了拉应力，且斜腿附近底板的压应力储备也较小。
为了了解结构的应力分布变化趋势，首先对结构理想化状态下的受力进行分析(如图2所示)。
从图2可以看出，中跨30m范围内结构受力比较合理，中跨距离斜腿6m左右范围内箱梁底板出现拉应力，最大拉应力达到-4.84MPa，且边跨底板距桥台14m范围内也出现拉应力，最大拉应力达到-0.79MPa。
为抵消结构的不均匀沉降，1997年1月，在基础加固的同时，对桥台支座进行了下移处理，将桥台支座下移了35mm，第一次加固前结构在最不利组合下的应力分布如图3所示。
从图3可以看出，将桥台支座下移了35mm后，结构内部应力值发生了较大的变化，中跨最大拉应力达到了-6.41MPa，边跨最大拉应力达到了-2.74MPa。
虽然支座下移后，对结构受力有所改善，但是箱梁底板拉应力仍然很大，结构仍然处于很不利的受力状态中。为此，1997年10月对该桥又进行了一次加固，即在大桩号斜腿附近，箱梁增设水平体外预应力索，以增加抗正弯矩能力。增加了体外索以后，结构的应力分布图形如图4所示。
从图4可以看出，箱梁增设水平体外预应力束之后，对于结构的受力有较显著的改善，但是在没有体外束通过的部位，箱梁底板仍然处于拉应力状态。可以认为是前次加固的体外束长度不够，才导致加固后部分箱梁底板仍处于受拉状态，故采取添加竖向支撑的措施以图改善。
添加竖向支撑后结构目前的应力分布如图5所示
该结构目前的应力分布状态显示，加了竖向支撑以后．中跨拉应力区段的拉应力有所缓和，最大拉应力为-3.36MPa，但是对边跨底板的受力将产生不利的影响。从图上可以看出，添加竖向支撑后，边跨底板拉应力有增加的趋势。
计算表明，中跨最不利位置集中在距斜腿6m-8m范围内，主要表现为底板出现拉应力，边跨在添加体外索之后，应力有所改善，但是在体外束未通过的区域，底板仍有拉应力出现。
4.维修加固技术方案比选
桥梁加固改造方案的具体确定，首先要根据桥梁的现有技术状况、存在病害、车辆通行的需要以及未来发展的趋势，对加固改造的必要性和可能性做出分析判断，然后对各种改造方法的技术经济效果进行比较，以选择合理的加固方案。
遵循以上加固原则，对主要病害(裂缝、碳化)选择了几个修复加固方案：施加体外预应力、贴钢板、贴碳纤维加固等 对这些方案的可行性进行分析比较后，得到以下结论。
4.1 施加体外预应力加固法理论上讲。可以使裂缝部分或全部闭合，对结构进行部分卸载，但由于该桥本身为预应力结构，而且上次加固已经在斜腿顶部、箱梁底部添加了体外预应力束，对梁体造成了一定的扰动，再加上结构的不均匀沉降，引起正负弯矩区、剪力、主拉应力区局部分布发生变化，导致应力重分布后的箱梁梁体抗正弯矩、抗剪、抗主拉应力的实际分配情况较难模拟，且结构的受力状态又非常复杂，局部混凝土及钢铰线处于高应力状态，因此张拉体外索施工阶段非常不安全，如果对梁体产生较大扰动，将会导致梁体脆性破坏。
4.2 贴钢板加固法即采用钢板加强桥面板底部，用钢板代替桥面板底部的混凝土来承受弯矩。从理论上来说，这种方法非常有效，但钢板与混凝土之间很难完全黏结好，加铆钉连接又非常麻烦，若施工控制不好，不利于对加固质量的控制，实际效果一般来说不会太好。
4.3 粘贴碳纤维布加固法是将碳纤维布粘贴在混凝土结构的受拉区边缘。使之与结构形成整体，以提高结构的承载能力。达到补强的目的。碳纤维布具有极高的抗拉强度和弹性模量，由它和树脂结合的复合材料具有重量轻的特点，不会增加结构的自重，不会因加固而增加原结构的负担，同时施工便捷，不需大型施工机具。
综合以上分析，采用碳纤维加固补强法对该桥进行加固是最可行的方案(见图6)。
5.构件加固计算
根据《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》的设计原则，采用碳纤维片材对梁、板构件进行受弯加固时，除应符合现行国家规范有关钢筋混凝土构件正截面受弯承载力计算的基本假定外，还应符合下列要求：
(a)达到受弯承载力极限状态时碳纤维片材的拉应变ε
cf 据截面应变保持平面的假定确定，但不应超过碳纤维片材允许拉应变[ε
cf ]；
(b)当考虑二次受力情况时，应根据加固时的荷载状况，按截面应变保持平面的假定计算碳纤维片材的滞后应变ε
cf；
(c)碳纤维片材的拉应力f
cf 取等于碳纤维片材弹性模量E
cf 与其拉应变ε
cf 的乘积，即f
cf =E
cf ε
cf；
(d)达到受弯承载力极限状态前，碳纤维片材与混凝土之问应粘结可靠，不发生粘结剥离破坏。
5.1 梁、板构件受弯加固的计算
对矩形截面受弯构件的受拉面粘贴碳纤维片材进行受弯加固时，其正截面受弯承载力按下列公式计算：
5.2 梁、板构件受剪加固的计算
对钢筋混凝土梁进行受剪加固时，按下列公式进行斜截面受剪承载力计算：
根据计算结果分析得到，最不利截面的M=4.38–10
4kN/m， 由上述公式可以得到最小贴碳纤维面积为0.0124m 。
6.技术总结和建议
目前本项目的加固已经完成．经检测桥梁结构受力性能完好，各项指标均满足规范要求。
该桥的加固是桥梁加固工程中的一个典型案例。本文通过对该桥梁建设历史的回顾、运营状态的分析，以及对结构各阶段的力学特性分析，对于桥梁的结构特性、受损原因、破坏形式以及发展趋势会有一个全面的了解．从而为加固方案的设计提供了全面的信息和可靠的理论依据。对于一些存在先天设计缺陷的桥梁，在经过若干次效果不太理想的加固后，结构的受力状态往往会变得非常复杂，特别是对处于高应力状态的结构，加固过程中大型机具设备的扰动往往都会导致结构的破坏，因此，该类型桥梁的加固应该遵循因势利导的原则，在尽量不破坏原结构体系平衡的前提下，采用被动受力的加固材料来提高结构的强度。本工程正是考虑到这一点，摈弃了加大截面尺寸、添加体外预应力的常规做法．而是采用既无须大型机具设备又能够达到提高结构强度的贴碳纤维布的方法，且实践证明，这一方法是有效的。
参考文献：
【1】JTJ 023—85，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]
【2】JTJ 041—2000，公路桥涵施工技术规范[S]
【3】范立础，桥梁工程[M]，北京：人民交通出版社 1996
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