本文所介紹的橋梁是合寧高速公路上的一座跨線橋(見圖1)，其于1996年施工，跨徑為22.4m+44.0m+22.4m，全長為88.8m，全寬為33.5m，系薄壁斜腿剛構(gòu)橋。該橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土等截面箱梁，單箱三室截面，斜腿采用板式實(shí)體結(jié)構(gòu)，張拉預(yù)應(yīng)力粗鋼筋，橋臺及斜腿基礎(chǔ)均采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。
1.運(yùn)營歷史回顧
施工過程中，由于受到地質(zhì)條件、施工工藝、天氣等因素的影響。該橋于1997年1月13日建成后，即發(fā)現(xiàn)橋梁出現(xiàn)沉降。之后有關(guān)部門在橋上設(shè)立觀測點(diǎn)，對橋梁沉降進(jìn)行跟蹤觀測，并于1997年1月對該橋下部進(jìn)行了處理，將斜腿基礎(chǔ)尺寸擴(kuò)大，并在每個(gè)基礎(chǔ)上垂直設(shè)置了126根φ114x4mm的鋼管錨桿，以控制其沉降。但是，由于原設(shè)計(jì)采用的預(yù)應(yīng)力不能滿足結(jié)構(gòu)的使用要求，故四個(gè)斜腿基礎(chǔ)雖然已經(jīng)加固，沉降也得到了一定的控制，但是箱梁內(nèi)部正、負(fù)彎矩區(qū)，剪力、主拉應(yīng)力區(qū)已經(jīng)發(fā)生了變化，部分區(qū)域抗正彎矩、抗剪、抗主拉應(yīng)力配筋不足，從而導(dǎo)致橫向裂縫和斜裂縫的產(chǎn)生。
2.橋梁使用現(xiàn)狀分析
最新檢測發(fā)現(xiàn)，梁體及橋臺有大量的裂紋及露筋現(xiàn)象，且裂紋大多存在漏水、結(jié)晶現(xiàn)象，表明裂紋屬于貫穿性裂紋，雖斜腿外觀基本良好，但在梁體交匯處局部有漏水現(xiàn)象。具體情況為：
(a)現(xiàn)場外觀檢查表明，梁體在剛構(gòu)斜腿兩側(cè)裂縫貫穿梁底，且漏水嚴(yán)重．普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋均受到不同程度的侵蝕，影響了結(jié)構(gòu)的耐久性，危及橋梁的安全使用；
(b)實(shí)測橋面高程表明，現(xiàn)狀橋梁梁體已經(jīng)發(fā)生不均勻沉降，線形達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；
(c)結(jié)構(gòu)總體不穩(wěn)定，橋梁基礎(chǔ)置于軟弱土層中，致使橋梁下沉，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生了很大的變化，而且這種變化還將繼續(xù)，會導(dǎo)致更嚴(yán)重的病害出現(xiàn)，甚至危及結(jié)構(gòu)的安全；
(d)根據(jù)對歷年沉降觀測數(shù)據(jù)的分析，橋梁的歷年累積沉降最大值為145mm，位置在大樁號斜腿處。
3.結(jié)構(gòu)受力分析
橋跨布置為22.4m+44m+22.4m預(yù)應(yīng)力混凝土等截面箱梁的斜腿剛構(gòu)橋，計(jì)算過程中結(jié)合橋位處的氣象、水文、地質(zhì)等情況對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工、承載能力及正常使用狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。
使用階段的靜力分析包括對成橋狀態(tài)下的恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、支座強(qiáng)迫位移計(jì)算及溫度變化等荷載作用的計(jì)算。計(jì)算按有關(guān)規(guī)定對各種荷載進(jìn)行了不同的組合．對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力和裂縫做了驗(yàn)算。計(jì)算表明，成橋狀態(tài)下主梁在使用階段最不利荷載組合下，邊跨底板出現(xiàn)了拉應(yīng)力，且斜腿附近底板的壓應(yīng)力儲備也較小。
為了了解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布變化趨勢，首先對結(jié)構(gòu)理想化狀態(tài)下的受力進(jìn)行分析(如圖2所示)。
從圖2可以看出，中跨30m范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)受力比較合理，中跨距離斜腿6m左右范圍內(nèi)箱梁底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)到-4.84MPa，且邊跨底板距橋臺14m范圍內(nèi)也出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)到-0.79MPa。
為抵消結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，1997年1月，在基礎(chǔ)加固的同時(shí)，對橋臺支座進(jìn)行了下移處理，將橋臺支座下移了35mm，第一次加固前結(jié)構(gòu)在最不利組合下的應(yīng)力分布如圖3所示。
從圖3可以看出，將橋臺支座下移了35mm后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力值發(fā)生了較大的變化，中跨最大拉應(yīng)力達(dá)到了-6.41MPa，邊跨最大拉應(yīng)力達(dá)到了-2.74MPa。
雖然支座下移后，對結(jié)構(gòu)受力有所改善，但是箱梁底板拉應(yīng)力仍然很大，結(jié)構(gòu)仍然處于很不利的受力狀態(tài)中。為此，1997年10月對該橋又進(jìn)行了一次加固，即在大樁號斜腿附近，箱梁增設(shè)水平體外預(yù)應(yīng)力索，以增加抗正彎矩能力。增加了體外索以后，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖形如圖4所示。
從圖4可以看出，箱梁增設(shè)水平體外預(yù)應(yīng)力束之后，對于結(jié)構(gòu)的受力有較顯著的改善，但是在沒有體外束通過的部位，箱梁底板仍然處于拉應(yīng)力狀態(tài)?？梢哉J(rèn)為是前次加固的體外束長度不夠，才導(dǎo)致加固后部分箱梁底板仍處于受拉狀態(tài)，故采取添加豎向支撐的措施以圖改善。
添加豎向支撐后結(jié)構(gòu)目前的應(yīng)力分布如圖5所示
該結(jié)構(gòu)目前的應(yīng)力分布狀態(tài)顯示，加了豎向支撐以后．中跨拉應(yīng)力區(qū)段的拉應(yīng)力有所緩和，最大拉應(yīng)力為-3.36MPa，但是對邊跨底板的受力將產(chǎn)生不利的影響。從圖上可以看出，添加豎向支撐后，邊跨底板拉應(yīng)力有增加的趨勢。
計(jì)算表明，中跨最不利位置集中在距斜腿6m-8m范圍內(nèi)，主要表現(xiàn)為底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，邊跨在添加體外索之后，應(yīng)力有所改善，但是在體外束未通過的區(qū)域，底板仍有拉應(yīng)力出現(xiàn)。
4.維修加固技術(shù)方案比選
橋梁加固改造方案的具體確定，首先要根據(jù)橋梁的現(xiàn)有技術(shù)狀況、存在病害、車輛通行的需要以及未來發(fā)展的趨勢，對加固改造的必要性和可能性做出分析判斷，然后對各種改造方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行比較，以選擇合理的加固方案。
遵循以上加固原則，對主要病害(裂縫、碳化)選擇了幾個(gè)修復(fù)加固方案：施加體外預(yù)應(yīng)力、貼鋼板、貼碳纖維加固等 對這些方案的可行性進(jìn)行分析比較后，得到以下結(jié)論。
4.1 施加體外預(yù)應(yīng)力加固法理論上講。可以使裂縫部分或全部閉合，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分卸載，但由于該橋本身為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，而且上次加固已經(jīng)在斜腿頂部、箱梁底部添加了體外預(yù)應(yīng)力束，對梁體造成了一定的擾動，再加上結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，引起正負(fù)彎矩區(qū)、剪力、主拉應(yīng)力區(qū)局部分布發(fā)生變化，導(dǎo)致應(yīng)力重分布后的箱梁梁體抗正彎矩、抗剪、抗主拉應(yīng)力的實(shí)際分配情況較難模擬，且結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)又非常復(fù)雜，局部混凝土及鋼鉸線處于高應(yīng)力狀態(tài)，因此張拉體外索施工階段非常不安全，如果對梁體產(chǎn)生較大擾動，將會導(dǎo)致梁體脆性破壞。
4.2 貼鋼板加固法即采用鋼板加強(qiáng)橋面板底部，用鋼板代替橋面板底部的混凝土來承受彎矩。從理論上來說，這種方法非常有效，但鋼板與混凝土之間很難完全黏結(jié)好，加鉚釘連接又非常麻煩，若施工控制不好，不利于對加固質(zhì)量的控制，實(shí)際效果一般來說不會太好。
4.3 粘貼碳纖維布加固法是將碳纖維布粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)邊緣。使之與結(jié)構(gòu)形成整體，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力。達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。碳纖維布具有極高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，由它和樹脂結(jié)合的復(fù)合材料具有重量輕的特點(diǎn)，不會增加結(jié)構(gòu)的自重，不會因加固而增加原結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)施工便捷，不需大型施工機(jī)具。
綜合以上分析，采用碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)法對該橋進(jìn)行加固是最可行的方案(見圖6)。
5.構(gòu)件加固計(jì)算
根據(jù)《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的設(shè)計(jì)原則，采用碳纖維片材對梁、板構(gòu)件進(jìn)行受彎加固時(shí)，除應(yīng)符合現(xiàn)行國家規(guī)范有關(guān)鋼筋混凝土構(gòu)件正截面受彎承載力計(jì)算的基本假定外，還應(yīng)符合下列要求：
(a)達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)時(shí)碳纖維片材的拉應(yīng)變ε
cf 據(jù)截面應(yīng)變保持平面的假定確定，但不應(yīng)超過碳纖維片材允許拉應(yīng)變[ε
cf ]；
(b)當(dāng)考慮二次受力情況時(shí)，應(yīng)根據(jù)加固時(shí)的荷載狀況，按截面應(yīng)變保持平面的假定計(jì)算碳纖維片材的滯后應(yīng)變ε
cf；
(c)碳纖維片材的拉應(yīng)力f
cf 取等于碳纖維片材彈性模量E
cf 與其拉應(yīng)變ε
cf 的乘積，即f
cf =E
cf ε
cf；
(d)達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)前，碳纖維片材與混凝土之問應(yīng)粘結(jié)可靠，不發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。
5.1 梁、板構(gòu)件受彎加固的計(jì)算
對矩形截面受彎構(gòu)件的受拉面粘貼碳纖維片材進(jìn)行受彎加固時(shí)，其正截面受彎承載力按下列公式計(jì)算：
5.2 梁、板構(gòu)件受剪加固的計(jì)算
對鋼筋混凝土梁進(jìn)行受剪加固時(shí)，按下列公式進(jìn)行斜截面受剪承載力計(jì)算：
根據(jù)計(jì)算結(jié)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貼碳纖維面積為0.0124m 。
6.技術(shù)總結(jié)和建議
目前本項(xiàng)目的加固已經(jīng)完成．經(jīng)檢測橋梁結(jié)構(gòu)受力性能完好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。
該橋的加固是橋梁加固工程中的一個(gè)典型案例。本文通過對該橋梁建設(shè)歷史的回顧、運(yùn)營狀態(tài)的分析，以及對結(jié)構(gòu)各階段的力學(xué)特性分析，對于橋梁的結(jié)構(gòu)特性、受損原因、破壞形式以及發(fā)展趨勢會有一個(gè)全面的了解．從而為加固方案的設(shè)計(jì)提供了全面的信息和可靠的理論依據(jù)。對于一些存在先天設(shè)計(jì)缺陷的橋梁，在經(jīng)過若干次效果不太理想的加固后，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)往往會變得非常復(fù)雜，特別是對處于高應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，加固過程中大型機(jī)具設(shè)備的擾動往往都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，因此，該類型橋梁的加固應(yīng)該遵循因勢利導(dǎo)的原則，在盡量不破壞原結(jié)構(gòu)體系平衡的前提下，采用被動受力的加固材料來提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。本工程正是考慮到這一點(diǎn)，擯棄了加大截面尺寸、添加體外預(yù)應(yīng)力的常規(guī)做法．而是采用既無須大型機(jī)具設(shè)備又能夠達(dá)到提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的貼碳纖維布的方法，且實(shí)踐證明，這一方法是有效的。
參考文獻(xiàn)：
【1】JTJ 023—85，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]
【2】JTJ 041—2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S]
【3】范立礎(chǔ)，橋梁工程[M]，北京：人民交通出版社 1996
