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棋盤嶺大橋病害分析與加固設計探討

2015-05-22　

 　　1 項目概況

 　　岳潛高速公路01標棋盤嶺大橋位于岳西縣黃尾鎮(zhèn)嚴家村北側(cè)，走向與黃尾河基本平行，橋下被交路為縣道X084，主線與被交路在此段多次相交，由于被交路外鍘邊坡地勢陡峻，在盡量減少對自然山體破壞的指導思想下，該路段采用橋梁跨越，通過調(diào)整跨徑減少對被交路的干擾。該橋采用裝配式部分預應力混凝土連續(xù)箱梁，左幅橋縱向布置為4×30m；右幅橋縱向布置為6×25m+20m+4×30m。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩，柱式臺，鉆孔灌注樁基礎。設計荷載為公路-Ⅰ級，地震動峰值加速度為0.05g。

 　　2009年3月3日，因長達三周的陰雨惡劣氣候?qū)е略摌蛩幝肪€左側(cè)山體頂面的數(shù)顆巨石失穩(wěn)，并相繼從約65m高度的山頂沿坡面（坡度約70º）墜落，對路線左幅路基、右幅箱梁、內(nèi)側(cè)波型梁護欄底座、外側(cè)防撞護欄造成重大沖擊損傷。

 　　左幅為路基，墜落到路基上的較大墜石共有4個，其中最大一塊呈圓柱體，周長約18m，高度約150cm，水平距離內(nèi)側(cè)波型梁護欄底座1.20m，因墜石自重及其巨大沖擊造成路基沉陷深度最大達55cm，路基外側(cè)擋墻開裂，局部塌陷。

 　　

圖1  墜石山坡山體概貌

圖2  橋面墜石分布現(xiàn)場

 　　右幅棋盤嶺大橋墜石散落于第5跨橋面，其中較大的共有三塊，其中最大一塊重約90t（圖2中A墜石）。

 　　2 橋梁病害分析

 　　箱梁是橋梁重要承重構(gòu)件，也是本次地質(zhì)災害中受損最為嚴重的受力構(gòu)件。經(jīng)調(diào)查，受損箱梁為第5跨內(nèi)側(cè)兩個梁體（即第3、4號梁），其中第3號梁病害最嚴重，受損部位主要位于頂板、腹板，以及箱梁第3、4號梁間的濕接縫處。

 　?。?）濕接縫

 　　A墜石在橋面上第一撞擊點位于第5跨第3、4號箱梁跨中區(qū)的頂板與濕接縫接縫處，該處已經(jīng)砸穿，雨天有漏水現(xiàn)象（見圖3）。

 　?。?）腹板

 　　第5跨第3、4號箱梁的腹板損傷嚴重，3號梁出現(xiàn)大量發(fā)散裂縫，裂縫形狀有水平向、豎向、斜向，斜向裂縫最長達296cm，裂縫最大寬度為0.9mm，均為墜石產(chǎn)生的受力裂縫（見圖4）。

 　　

圖3 墜石在第一撞擊區(qū)濕接縫病害

圖4  內(nèi)側(cè)第二片箱梁腹板斜向裂縫

 　　（3）橋面

 　　右幅橋面尚未攤鋪瀝青面層，第5跨橋面鋪裝受墜石撞擊后損傷嚴重，撞擊損傷概貌如圖5、6所示。

 　　

圖5 橋面鋪裝撞擊損傷現(xiàn)場

圖6 濕接縫處橋面鋪裝及頂板砸穿

 　　3 荷載試驗

 　　為了了解結(jié)構(gòu)體系在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài)，為科學地評價結(jié)構(gòu)在受損后使用階段的工作狀況提供強度、剛度和變形等方面的資料，本次對比荷載試驗選擇受損的第5跨和相鄰未受損的第4跨進行了對比荷載試驗，為下一階段的加固設計提供依據(jù)。

 　　本橋在試驗荷載作用下?lián)p傷跨第5跨跨中截面應變校驗系數(shù)最高為1.2，撓度校驗系數(shù)最高為0.95，而相鄰跨第4跨跨中截面應力校驗系數(shù)最高為0.9，撓度校驗系數(shù)最高為0.87。

 　　預應力混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)一般為0.7～0.9，但不得超過1.05。本橋損傷跨結(jié)構(gòu)應變校驗系數(shù)已遠遠超過常值范圍，橋梁實際應力狀態(tài)偏離理論設計，承載力已經(jīng)沒有安全儲備。橋梁撓度校驗系數(shù)也較高，橋梁實際剛度小于理論設計剛度，存在安全隱患。

 　　建議盡快采用主動加固方式對本橋進行加固處理，以改善受力狀態(tài)并滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

 　　4 橋梁加固設計方案

 　　橋梁加固設計工作根據(jù)上述病害情況、靜載實驗結(jié)果及結(jié)構(gòu)計算分析，將本次加固分為上部主體結(jié)構(gòu)加固、現(xiàn)澆及預制橋面板及橫梁加固三部分。

 　?。?）病害：箱梁腹板出現(xiàn)較多斜向裂縫，現(xiàn)澆及預制橋面大面積損傷。

 　?。?）病害及結(jié)構(gòu)分析：通過結(jié)構(gòu)計算，原箱梁結(jié)構(gòu)承載能力可以滿足要求，但由于箱梁受到突然沖擊后，腹板出現(xiàn)較多比較寬的斜向受力裂縫，且部分濕接縫連接處發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)實際的承載力及應力狀況發(fā)生變化。在結(jié)構(gòu)計算過程中結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，對第4跨和第5跨相同工況下結(jié)果進行對比，根據(jù)結(jié)構(gòu)受損程度考慮將右幅第5跨3號箱梁鋼束張拉控制力按0.85系數(shù)折減，右幅第5跨4號箱梁鋼束張拉控制力按0.9系數(shù)折減；由于部分濕接縫和箱梁連接處開裂、混凝土破碎，特別是右幅第5跨第3、4號梁之間濕接縫破壞較嚴重，梁間橫向聯(lián)系薄弱，形成局部單板效應，結(jié)構(gòu)計算時根據(jù)試驗實測的最大橫向分布系數(shù)計算，橋梁的的承載力根據(jù)箱梁的病害程度3號梁按0.85的系數(shù)折減，4號梁按0.9的系數(shù)折減，計算結(jié)果如下表所示:

 　　表1  正常使用極限狀態(tài)驗算

 　　

驗算內(nèi)容  　　 荷載等級	3號梁跨中下緣正應力		4號梁下緣正應力
	折減前	折減0.85后	折減前	折減0.9后
公路-Ⅰ級	1.51 MPa	0.48 MPa	0.50 MPa	-0.17 MPa

 　　表2  抗彎承載力驗算

 　　

荷載等級、位置	公路-Ⅰ級
計算參數(shù)	3號梁	4號梁
內(nèi)力組合Mj (kN.m)	4956.3	5342.6
極限承載力Mu (kN.m)	5391.1	5383.0
箱梁承載力折減系數(shù)	4582.4	4844.7
承載力驗算Mu/Mj(折減前）	1.09	1.01
承載力驗算Mu/Mj(折減后）	0.92	0.91

 　?。?）加固處理方案

 　　由于箱梁跨中墜石部位裂縫超限，考慮到對橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的影響，本次維修加固設計采用兩種主動加固方案恢復箱梁的承載能力

 　　方案一：在箱梁底面張拉預應力碳纖維板。

 　　采用施加預應力后的碳纖維加固，既有效地利用了碳纖維的高強度，節(jié)約碳纖維用量，又能抑制構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展，其優(yōu)勢是非常明顯的。

 　　方案二：在箱梁底面張拉體外預應力鋼束。

 　　由于鋼絞線的強度高，當需要拉桿承受較大內(nèi)力時，材料面積也不需要很大，施工起來比較方便。鋼絞線的柔性好，很容易形成設計形狀，施工起來方便。鋼絞線的長度長，可以采用連續(xù)跨加固，加強了結(jié)構(gòu)的整體性。由于無粘結(jié)鋼絞線的防腐性能較好，在外觀要求不高的情況下，可采取簡單的防腐措施，施工比較方便。

 　　其它共性處理方案

 　　a、裂縫：裂縫寬度≥0.15mm的結(jié)構(gòu)受力裂縫采用壓漿法進行修補；非結(jié)構(gòu)受力裂縫和寬度＜0.15mm的裂縫采用封閉法進行修補。

 　　b、混凝土局部破損：清理破損區(qū)域，露出堅實界面，用改性聚合物水泥砂漿修補；對箱梁濕接縫部分采用拆除破損濕接縫、重新澆注混凝土的處理方法。

 　　c、露筋銹蝕：清理露筋區(qū)域，對鋼筋除銹，用改性聚合物水泥砂漿修補。

 　　d、箱梁跨中腹板粘貼條狀鋼板。

 　?。?）預應力碳纖維板加固后結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果（方案一）：

 　　表3  正常使用極限狀態(tài)驗算

 　　

驗算內(nèi)容  　　 荷載等級	3號梁下緣正應力	4號梁下緣正應力
公路-Ⅰ級	1.45 Mpa	0.44 Mpa

 　　表4  抗彎承載力驗算

 　　

荷載等級、位置	公路-Ⅰ級
計算參數(shù)	3號梁	4號梁
內(nèi)力組合Mj (kN.m)	4956.3	5342.592
加固前極限承載力Mu (kN.m)	4582.4	4844.7
加固后極限承載力Muu (kN.m)	5650.1	5910.3
承載力驗算Mu/Mj(加固前）	0.92	0.91
承載力驗算Muu/Mj(加固后）	1.14	1.11

 　?。?）體外預應力加固后結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果（方案二）

 　　表5  正常使用極限狀態(tài)驗算

 　　

驗算內(nèi)容  　　 荷載等級	3號梁下緣正應力	4號梁下緣正應力
公路-Ⅰ級	1.50 Mpa	0.48 Mpa

 　　表6  抗彎承載力驗算

 　　

荷載等級、位置	公路-Ⅰ級
計算參數(shù)	3號梁	4號梁
內(nèi)力組合Mj (kN.m)	4956.3	5342.592
加固前極限承載力Mu (kN.m)	4582.4	4844.7
加固后極限承載力Muu (kN.m)	5510.5	5771.5
承載力驗算Mu/Mj(加固前）	0.92	0.91
承載力驗算Muu/Mj(加固后）	1.11	1.08

 　　（6）方案技術(shù)經(jīng)濟比較

 　　表7  方案比選表

 　　

方案	優(yōu) 點	缺 點
方  　　 案  　　 一	1、耐腐蝕（氣候）性能較好；  　　 2、采用預應力碳纖維板加固，有效地利用了碳纖維的高強度；  　　 3、預應力碳纖維板加固可顯著改善受彎構(gòu)件開裂及屈服荷載，應用于橋梁結(jié)構(gòu)加固能有效抑制構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展，充分利用碳纖維材料性能。  　　 4、可拆換，方便更換，碳纖維板面積較小，緊貼梁底，充分利用材料。  　　 5、固定端和張拉端采用成品鋼齒板，鋼齒板尺寸較小，外觀較好。	對碳纖維施加預應力將伴隨產(chǎn)生初始應變,碳纖維的剩余變形更少，對加固結(jié)構(gòu)延性有影響。
方  　　 案  　　 二	1、采用成品體外索，索體外有PE套管防護。  　　 2、體外索安裝在箱內(nèi)，其它梁相比協(xié)調(diào)性較好。  　　 3、加固費用花費較少。	1、需要種植較多鋼筋澆筑齒板，對原結(jié)構(gòu)損傷較大。  　　 2、預應力布置在箱內(nèi)，施工空間較小，種植鋼筋等施工較困難。  　　 3、齒板較小，混凝土澆筑困難。

 　　經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較將方案一：預應力碳纖維板加固方案作為推薦方案。

 　　5 項目實施情況

 　　本橋加固設計方案在專家及業(yè)主的一再堅持下，施工時沒有選擇主動加固設計方案，最終處理措施如下：

 　　（1）對該橋右幅第五跨受損箱梁的裂縫進行注漿及封閉。

 　?。?）在受損箱梁箱室內(nèi)粘貼整體鋼板，箱室外粘貼條狀鋼板。

 　　（3）鑿除該橋右幅第五跨原橋面鋪裝和受損濕接縫的砼，取消鋪裝中面層。已鑿除的濕接縫、橋面鋪裝和取消的中面層采用砼整體澆筑，并設置雙層鋼筋以提高橋梁橫向聯(lián)系。

 　　6 結(jié) 語

 　　本文通過棋盤嶺大橋受墜石破壞所造成的病害情況進行分析，同時結(jié)合荷載試驗結(jié)論有針對性地提出兩種加固設計方案供比選，最終選擇處理方案，從以上橋梁事故及加固案例，提出以下建議供參考：

 　　1、在設計和施工中，避免使用不合理的高陡邊坡，避免大挖大切，以維持山體的平衡穩(wěn)定。在巖體松散或構(gòu)造破碎地段，不宜使用大爆破施工，避免因工程技術(shù)上的失誤而引起崩塌。較陡斜坡上的巖土體應及時采取清除坡面危石、遮擋、攔截 、支擋、坡面加固等措施避免災害的發(fā)生。

 　　2、施加預應力后的碳纖維加固，既有效地利用了碳纖維的高強度，節(jié)約碳纖維用量，又能抑制構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展，其優(yōu)勢是非常明顯的，國內(nèi)外許多研究人員及工程師對此技術(shù)進行了大量的研究，以期使預應力碳纖維加固成為傳統(tǒng)碳纖維加固及其他加固技術(shù)的良好替代技術(shù)，加固施工中值得推廣。

 　　

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