预应力混凝土空心板桥加固设计

乐荣彪

1 工程概况

某装配式先张法预应力混凝土空心板桥，跨径组合为2×20 m，两幅路整体式设计，单幅桥宽度15.75 m，由15块板组成，桥梁横断面如图1所示。板高0.80 m，采用C50混凝土，中板宽1 m，边板宽1.25 m(悬臂0.25 m)，整体化现浇层厚15 cm，沥青铺装层厚5 cm，预应力钢束均采用16φs12.7。设计荷载为汽车—超20，挂—120。

本桥2005年建成通车，主体结构无明显病害。但由于近年来交通量增长较快，故主管部门要求对原桥荷载设计等级按现行规范荷载等级公路—Ⅰ级进行安全检算。

2 原桥检算

表1 原截面承载能力极限状态正截面强度验算(中板)

原桥上部结构按部分预应力A类构件设计，现对其进行安全性检算，将预应力混凝土空心板离散为22个梁单元，结构模型见图2。

桥面沥青铺装层厚9 cm，检算时，现浇层15 cm参与受力。

在对原桥进行结构安全验算后发现，桥梁上部的长期效应组合及短期效应组合应力均满足现行规范要求，但1/4L～3/4L截面的极限承载力不满足规范要求，需予以补强、加固。

从表1及图3可以看出，最大计算弯矩Mj=2 040 kN·m，而截面极限承载力只有1 770 kN，1/4L～3/4L截面的极限承载力不满足规范要求。

3 加固方案

对于承载能力不能满足规范要求的情况，结合本桥实际情况，提出了以下三种方案:

1)拆除原桥上部板块，重新按现行规范设计，以满足规范要求，保证行车安全;

2)拆除原桥桥面铺装，在板顶设置叠合梁，改变板中和轴位置，以此提高板块的承载能力;

3)在板底粘贴钢板，以提高板的承载能力。

方案比较:拆除原桥上部，更换桥面系，能很好地保证桥梁的安全性及耐久性，但中断交通时间太长，造价高，社会负面影响大;在桥面设置叠合梁，具有中断交通时间短，造价低的优点，但提高桥梁的承载能力有限，安全储备不足;在梁底粘贴钢板的加固方案，可以根据需要，计算钢板的厚度及宽度，不但可以保证桥梁的安全性及耐久性，而且具有工期短，造价省的优点。

故本桥采用粘贴钢板加固法来提高空心板的承载力。

4 加固设计

本桥在加固设计的承载力计算时，不考虑受压区钢筋的作用。中板、边板预应力钢筋采用16φs12.7的钢绞线，钢束总面积Ap=16 ×98.7=1 579.2 mm2，抗拉设计强度 fpd=1 260 MPa，粘贴钢板等级为Q345，抗拉设计强度fsn=280 MPa，C50的抗压强度设计值 fcd=22.4 MPa。

最大计算弯矩设计值，中板为Mj=2 040 kN·m，边板为Mj=2 300 kN·m。

将空心板简化为工形截面，见图4，图5。

下面以中板为例，介绍一下本桥的加固设计。

加固措施:拟在梁底粘贴两条210 mm宽，4 mm厚的Q345级钢板，粘贴钢板面积Asn=2×210×4=1 680 mm2。首先，判别受压区是否考虑腹板作用:

fcdbfhf=22.4×1 000×(70+150)=4 928 000 N。fpdAp+fsnAsn=1 260×1 579.2+280×1 680=2 460 192 N。由于满足:fcdbfhf＞fpdAp+fsnAsn条件，应按梁宽bf=1 000 mm的矩形截面计算，即不考虑腹板作用。

截面加固后，板高为800+150=950 mm，预应力筋合力点距板底的距离ap=45 mm，粘贴钢板合力点距梁底距离asn=4/2=2 mm，则所有拉筋合力点距梁底的距离为:

a=(fpdApap+fsnAsnasn)/(fpdAp+fsnAsn)=(1 260 ×1 579.2 ×45+280×1 680×2)/(1 260×1 579.2+280×1 680)=36.8 mm。

截面有效高度:h0=950 －36.8=913.2 mm。

由于截面受拉区有预应力筋，根据“公桥规JTG D62-2004”第5.2.1条，截面相对界限受压区高度 ξb=0.4，按以下公式可解得截面受压区高度x:

fcdbfx=fpdAp+fsnAsn。

解上式得:x=(fpdAp+fsnAsn)/fcdbf=(1 260×1 579.2+280×1 680)/(22.4 ×1 000)=109.8 mm ＜ξbh0=0.4 ×913.2=365.3 mm。

正截面抗弯承载力为:

fcdbfx(h0－x/2)=22.4 ×1 000 ×109.8 × (913.2 －109.8/2)=2 111×106N·mm=2 111 kN·m＞Mj=2 040 kN·m。满足规范要求。

极限承载能力——最大抗力及其对应的内力见图6。

5 结语

本桥加固设计说明，对结构的加固，必须从实际出发，具体情况具体分析，才能保证加固的有效性和可靠性。通过本桥加固案例，希望对其他桥梁的加固工程有所借鉴。

［1］ JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范［S］.

［2］ JTG/T J22-2008，公路桥梁加固设计规范［S］.

［3］ 单成林.旧桥加固设计原理及计算示例［M］.北京:人民交通出版社，2007:2.

［4］ 吴建鑫，周 超，邢佳鹏.论旧桥加固方案设计［J］.山西建筑，2010，36(7):322-323.

［5］ 申红军.20 m T异型组合梁桥加固设计与施工［J］.山西建筑，2011，37(7):154-155.