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立交桥加固设计论文
 
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文章来源:加固改造网   添加人:admin   添加时间:2016-6-29 10:53:13

1工程概况

集灌路分离式立交桥位于厦漳高速公路厦门段,原桥名为官林头互通I-1桥,为左右幅分离的钢筋混凝土矮墩连续刚构箱梁,桥跨组合为(20.5+2×21.5+20.5)m,全长88.30m。单幅上部结构采用单箱三室混凝土箱梁,梁高1m,顶宽12.5m,底宽6.5m,腹板厚0.40m,顶底板厚0.25m。下部结构采用薄壁墩、单排3根Φ1.2m钻孔灌注桩基础,墩梁固结。桥址区基岩埋深大于40m,基础按摩擦桩设计。该桥于1997-07月竣工通车,检测发现该桥混凝土保护层厚度与设计值相比偏薄,梁体出现结构受力的横向裂缝,加固后粘贴的玻纤布老化,局部出现脱落,技术评定为三类桥。改扩建需要将原有桥梁拼宽至8车道。主要技术标准如下:(1)设计荷载,老桥为汽—超20,挂—120;拼宽新梁为公路Ⅰ级;(2)设计车速为120km/h;(3)桥面宽度:老桥总宽26.0m,双向4车道,扩建后的桥梁总宽为42.0m,双向8车道,在老桥两侧各拼宽8.0m。(4)地震基本烈度为Ⅶ度。

2扩建方案

根据老桥现状调查、桥梁检测报告及静、动力荷载试验结果,经过综合分析,认为老桥经加固后可以继续正常运营。桥梁扩建方案为:保留老桥并采取一定的加固措施,新建结构类型相同或相近的新桥,通过翼缘板湿接缝连接新老桥梁,最后形成双向8车道的桥梁结构。

2.1结构体系分析

鉴于老桥采用墩梁固结矮墩连续刚构体系,在同跨径桥梁中比较少见,为考察箱梁病害是否结构体系的问题,是否需要利用体系转换来改善当前结构受力状态,拼宽新桥采用何种结构形式比较有利,对如下2种不同结构体系进行分析比较:体系1:维持原有结构体系不变,进行加固、拼宽;体系2:解除2个边墩的墩梁固结,维持中墩固结,进行加固、拼宽。采用midasCivil程序,以老桥为例,建立结构体系对比计算模型,主要考察箱梁边跨跨中截面、中跨跨中截面、边墩墩顶截面、中墩墩顶截面的面内弯矩以及边墩墩底推力的差异。体系1与体系2计算结果的比值为1.012~1.112,结构体系的影响对桥梁上部箱梁结构受力影响并不显著。因此,老桥加固以及新桥设计仍然采用原有的矮墩连续刚构体系,以避免老桥因体系变化导致次生病害产生,并保证活载作用下新老桥横向变形比较一致。

2.2新桥结构

新桥采用与老桥相同的跨径及上下部结构,以保证外观一致且变形协调。桥跨组合为20.5m+2×21.5m+20.5m,全长88.30m。上部结构采用单箱双室混凝土箱梁,梁高1m,顶宽8.0m,底宽5.5m,腹板厚0.40m,顶底板厚0.25m。薄壁墙式墩,墩身宽度3.0m,厚度0.6m,单排2根Φ1.2m钻孔灌注桩基础,墩梁固结;肋式台、双排4根Φ1.2m钻孔灌注桩基础。

2.3老桥加固

为确保桥梁能够安全、正常的运营,在拼宽之前,必须对老桥进行加固,以提高既有结构的承载能力、耐久性。按照“老桥老规范、新桥新规范”的原则进行维修加固,即对原桥的结构验算仍然采用85年颁布的相关规范(简称旧规范),但加固工程中涉及的材料、工艺等部分,执行最新颁布的规范(简称新规范)。除一般病害(如非结构性裂缝,混凝土表层破损、脱落,支座老化、破坏等)采用常规处治措施外,对主要病害箱梁腹板、底板裂缝,需进一步研究合理的维修加固措施。

2.3.1老桥主要病害

主要病害为箱梁腹板、底板裂缝、玻纤布老化,第4跨梁底玻纤布局部脱落,梁体出现超限宽的横向受力裂缝,梁底共13条横向裂缝,缝宽0.18~0.28mm,共计缝长22.1m。核查以往养护、桥检资料,该桥在粘贴玻纤布加固之前的主要病害为:梁侧腹板存在较多裂缝,均为竖向裂缝,右幅第1~3跨梁侧腹板裂缝部分延伸至梁底,左幅第1跨梁侧裂缝部分延伸至梁底,最大缝宽0.20mm;左幅第2跨1/4L~3/4L、第3跨1/4L~3/4L存在梁底横向裂缝,最大缝宽0.10mm。

2.3.2病害成因分析

经过综合分析,产生上述病害的主要原因如下:(1)施工措施不当,施工中混凝土震捣不密实、钢筋位置偏差、保护层过薄、养护欠妥当等,造成混凝土质量不均匀,在受到较大荷载时,沿腹板产生的表面裂缝易与受拉区裂缝相连接[。(2)腹板侧面裂缝部分从梁底向上开裂,梁底面出现横向裂缝,均与主筋垂直,属于梁受拉区出现的弯曲裂缝,说明结构抗力不足。(3)刚构桥属于超静定结构,混凝土收缩、徐变、温度变化等都会对结构产生附加应力,导致混凝土开裂。

2.3.3加固方案

综合考虑加固效果、施工便利性及加固施工过程中的通车要求等因素,在清理混凝土表面,对裂缝灌浆、封闭后,采用高强不锈钢铰线网-渗透性聚合物砂浆技术进行加固,施加预应力高强钢铰线网提高结构的承载能力,抗剪与抗弯加固的不锈钢铰线分别采用Φ3.2mm和Φ4.8mm规格,种类均为6×7+IWS,同时通过在外表面涂刷3cm厚度的配套高强渗透性砂浆增加结构的耐久性。加固前须拆除梁体表面粘贴的所有玻纤布。箱梁外侧面沿腹板全高加固,主要受力钢铰线须垂直于桥梁轴线方向,并兜向底板45cm。箱梁底板上的钢铰线网需须顺桥向布置,每跨内的钢铰线网在纵向不宜拼接,必须搭接时,在钢铰线受力方向的搭接长度应不小于80cm。施工工艺流程为:定位放线→混凝土基层处理→裁切钢铰线网片→钢铰线网片的固定与张紧→钢铰线网片节点的固定→涂刷界面剂→聚合物砂浆压抹→湿润养护。其中钢铰线网的固定和张紧是其能够立即和原结构共同受力的关键。根据设计确定的锚具位置,通过植入螺栓和粘贴钢板在构件端部固定锚具。钢铰线下料后,用专门的挤压锚具挤压套筒使其与钢丝绳成为一体,在一侧钢丝绳的一端直接穿入锚具,另一端由专门的张拉器预张紧后进行锚固,参考以往工程经验,预张拉应力取0.25~0.3倍的抗拉强度设计值。用配套专用固定销钉对钢铰线网片的各节点进行逐段钻孔锚固,使其固定在箱梁上。该项加固技术在国内许多建筑工程、桥梁工程上得到应用,实践表明加固效果良好,其主要特点如下:(1)由于高强渗透性砂浆基本为无机材料、不锈钢绞线网耐腐蚀性能好,较好地解决了混凝土结构加固后的耐久性、抗火、耐高温性能等问题,加固性能可靠;(2)钢铰线网为高强不锈钢铰线编织成网,运输及施工方便;(3)高强钢铰线强度高,其标准强度约为普通钢材的5倍,加固后结构自重增加很小,对原结构的自重影响也很小;(4)对混凝土结构进行抗弯及抗剪加固均可取得良好的加固效果,并且可以显著地提高构件刚度;(5)混凝土构件加固后的疲劳性能以及钢网、砂浆的锚固、粘结性能良好;(6)易于大面积施工,在结构加固的过程中不影响建筑物的使用,对被加固的母体表面没有平整要求,节点处理方便,更适合桥梁和楼板等混凝土结构的加固。

2.4新老桥拼接

经过多阶段比选确定箱梁拼宽设计的基本原则为“上连下不连”,其要点如下:(1)新老桥上部结构通过拼接形成整体共同受力,下部结构分离独立受力。(2)老桥箱梁翼缘板下缘钢筋无法承受翼缘板刚接后产生的正弯矩,设计采用现浇铰缝进行拼接。老桥翼缘板切除0.5m,新老箱梁之间预留0.5m的UEA钢纤维混凝土翼缘板后浇段,新老桥之间通过植筋和锯缝形成铰缝,拼接铰缝构造见图5,顶板锯缝填沥青玛蹄脂,底板填塞木条。(3)为减小拼宽部分收缩、徐变对老桥的影响,拼宽部分建成后3~6个月,再实施拼接。(4)为减小拼接后新桥基础沉降对老桥的影响,应严格控制该基础沉降,对新桥进行桩底压浆。同时,为了降低新桥的后期沉降量,尽量使沉降量发生在拼接前,新桥上部结构施工完毕后,对梁体进行加载预压,加载量不小于桥面2期恒载的重量,预压时间控制在2~3个月。

3结构受力分析

3.1分析模型及计算荷载

采用MIDASCivil对老桥加固前后、老桥和拼宽新桥在拼宽前后、拼宽纵桥向相互影响及结构抗震性能进行分析计算,有限元模型见图6。采用ANSYS进行新老桥翼缘板拼宽前后局部分析。考虑的荷载有施工临时荷载、恒载、汽车荷载、整体温差、梯度温度、基础变位、收缩、徐变、地震动等。老桥计算考虑了一定的定量退化处理。

3.2主要分析结果

(1)桥梁拼宽前,老桥在承载能力极限状态下满足规范要求,正常使用极限状态下裂缝超限,需要进行加固。现行公路桥梁加固设计规范未对上述加固方法进行规定,考虑到该方法与粘贴钢板加固法同属于复合截面加固法,钢铰线网与钢板的受力方式均设计成仅承受轴向应力作用[4-5],其加固原理、材料性能、计算假定等均类似。参照文献中2种加固方法的3种计算规定,对老桥加固进行验算,裂缝通过应变值推算,不考虑主梁侧面围套内钢铰线网片对承载力的提高作用,计算结果满足规范要求。此外,还可采用组合有限元法建立精细模型进行分析计算。(2)桥梁拼宽后,新老桥在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的结构承载力、裂缝宽度、跨中挠度满足规范要求。拼宽后老桥的弯矩、剪力值有所增大,新桥的弯矩、剪力峰值下降。(3)新老桥翼缘板拼宽前后局部分析结果表明:拼宽后,新桥的基础变位导致新、老桥翼缘板出现横向附加弯矩,弯矩峰值在墩顶处,向跨中及桥台处逐渐减小。老桥翼缘板(每延米长度)的墩顶横向弯矩在翼缘根部大于新桥翼缘板根部的横向弯矩。基础沉降工况对拼接的影响最大,老桥抗剪略有不足,考虑到老桥翼缘板加固困难,设计除适当增加新桥桩基长度外还对桩基底部进行压浆处理,以减少基础沉降的影响。同时,为了降低新桥的后期沉降量,尽量使沉降量发生在拼接前,新桥上部结构施工完毕后,对梁体进行加载预压。(4)采用反应谱法进行抗震性能分析,桥梁采用连续刚构体系,桥墩为薄壁墩、单排桩基础,刚度适中,各墩台刚度协调,结构体系抗震性能较好,地震工况不控制设计。

4结语

集灌路分离式立交桥的扩建采用与老桥相同结构类型的矮墩连续刚构箱梁进行拼宽、现浇铰缝连接,并采用高强不锈钢铰线网-渗透性聚合物砂浆技术对老桥进行加固。此外适当增加新桥墩台桩基长度并对桩基底部进行压浆处理,并在新桥上部结构施工完毕后,对梁体进行加载预压,以上措施取得了良好的效果,该桥已于2011-12通车。

作者:吴江鸿 单位:福建省交通规划设计院

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