浅议某工字梁桥船撞病害的机理分析及加固设计

刘志军 ，柏 平

（1.上海地铁咨询监理科技有限公司，上海市 200000；2.江苏省南通市公路管理处，江苏南通 226001）

1 项目概况

某工字梁桥原有部分为双向2车道，建于1989年，后于2000年该桥两侧拓宽为双向4车道，设计荷载为汽车—20级，挂车—100。桥梁由三跨16 m的钢筋混凝土工字组合简支梁组成，桥面宽度21 m。上部结构为14片钢筋混凝土工字型梁预制拼装结构，桥面铺装为沥青混凝土；下部结构为重力式桥台扩大基础与柱式桥墩桩基础。

由于中孔通航净空较小，通行船舶吨位较大，梁底经常受到船舶撞击，部分梁体受损较严重。船撞病害主要为梁底主筋、箍筋裸露，个别主筋弯曲退出受力工作，多片工字梁腹板出现斜向、水平向裂缝，个别裂缝宽度较大、长度较长，桥梁使用性能降低。

桥梁立面图、横断面图和中跨主筋配置见图1～图3。

图1 桥梁立面布置图（单位：cm）

图2 桥梁跨中横断面布置图（单位：cm）

图3 主梁主筋布置图（单位：mm）

桥台桥墩由东向西编号，分别为0#桥台、1#桥墩、2#桥墩、3#桥台；中跨梁由北至南依次编号1#～14#主梁，其中6#～9#主梁为老梁，1#～5#主梁及10#～14#主梁为新梁；中跨横梁由东向西分别为1#、2#横梁。

支点位置范围箍筋间距为100 mm，其它位置箍筋间距为200 mm，除了底层主筋，其它主筋在距跨中1.2 m位置逐渐弯起，并配置了斜筋。

2 桥梁主要病害、缺陷及原因分析

2.1 桥梁病害检查

由于桥梁通航净空不足，梁底经常受到船舶撞击，受损情况较严重，桥梁撞损典型病害情况见图4和图5。

从图片反映的情况看，梁底混凝土发生大面积剥离病害，部分区域主筋、箍筋裸露（1#、2#、5#和14#主梁），个别主筋弯曲退出工作（1#、5#主梁），多片工字梁（1#、5#主梁等）腹板出现斜向与水平向裂缝，个别裂缝宽度较大（0.20 mm）、长度较长（跨中向两边延伸到四分之一跨）。由于主筋的弯曲，对正截面的承载能力及刚度将造成一定的影响，大面积的混凝土剥离与露筋造成钢筋表面锈蚀，混凝土开裂对结构耐久性不利。

图4 1#主梁斜裂缝、露筋及主筋弯曲照片

图5 5#主梁梗腋处水平裂缝照片

2.2 桥梁病害示意图

图6、图7为桥梁主梁病害示意图。

图6 桥梁中跨底面病害示意图（单位：cm）

图7 受损严重的主梁腹板侧面病害示意图（单位：cm）

由图4～图7可见，1#主梁与5#主梁受损情况最为严重，都出现大面积露筋与局部主筋弯曲病害，且在梁腹板上产生很长的水平向裂缝及较严重的斜截面开裂情况；其次是2#、14#主梁露筋情况较为严重，其余主梁梁底混凝土轻微剥离。

2.3 桥梁病害原因分析

（1）有限元模型受力分析

为了分析船舶撞击病害产生的机理，对桥梁结构在船舶撞击力的作用下的受力情况进行有限元建模分析，用有限元软件ANSYS建立单片梁的弹性实体模型。由于桥面板与铺装层对主梁的抗扭约束很大，计算腹板受力时，对工字型梁上表面施加抗扭转约束，考虑加固梁横梁的连接作用，图8为端横梁与中横梁对1#主梁腹板的支撑作用示意图，对单片梁建模分析时，在横梁位置施加约束。

图8 横梁对1#主梁腹板的支撑作用示意图

参照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中四级航道500 t级船舶顺桥向撞击墩台的作用标准值按横桥向550 kN取值，两根直径25 mm的二级钢筋屈服荷载为275 kN，该桥船只撞击主要为空载情况下的船篷撞击，撞击力按200 kN取值。

在桥梁中跨一侧下翼缘施加5个40 kN的集中荷载，以模拟船只对主梁的撞击作用。分析模型见图9～图11。

图9 模型荷载图

图10 变形图

图11 竖向应力图

（2）有限元模型分析结果

计算结果显示，在200 kN撞击力下，部分区域拉应力超过C25混凝土的抗拉强度值，除去加载点与约束点的应力集中效应外，主梁梗腋部位竖向拉应力与主拉应力最大，达2.96 MPa，混凝土沿应力最大部位开裂形成水平裂缝。

同时在集中力作用处，有应力集中的效应，从受力点向上约45°扩张，参考该桥拓宽工程设计图纸，在主筋弯曲部位附近有弯起钢筋存在，船只撞击致主筋弯曲时，弯起钢筋应力增大，超出混凝土抗拉设计值，混凝土沿着弯起钢筋开裂剥离，形成类似弯剪裂缝的斜向裂缝。

在船只撞击作用下，主梁腹板为横梁与桥面板三面支撑的悬臂板，且为单向板，按照悬臂板理论计算，理论上梗腋开裂时，边缘最大集中荷载与均布线荷载为41.7 kN和19.4 kN/m。开裂后受拉区混凝土退出工作，发生应力重分布，由于梗腋处箍筋配置未考虑船只撞击情况，箍筋屈服，考虑到横梁及周边结构的作用，水平裂缝目前相对安全，对竖向受力影响不大，但需加强防备，尽量避免再次受到大吨位的船只撞击，如再次受到船只撞击，需及时修复。

3 处置对策

根据有限元计算分析结果，该桥船撞病害处置对策如下。

（1）主梁斜向裂缝。拟清除斜裂缝部位已剥离的混凝土，对主梁外侧表层混凝土保护层不足的情况，均涂抹一层聚合物砂浆。

（2）主梁底混凝土破损剥离部位。拟清除破损的混凝土，用聚合物砂浆修平。

（3）主梁梗腋处水平裂缝。对主梁整体刚度与承载力影响不大，拟对裂缝进行灌浆处理，增强桥梁的整体性与结构耐久性。

（4）主梁钢筋的裸露、弯曲变形处。拟清除破损的混凝土，用聚合物砂浆修平后，沿纵向外包钢板补强。

（5）对于其它非受力裂缝、宽度大于等于0.15 mm的裂缝采取灌浆处理，小于0.15 mm的裂缝作表面封闭处理。

（6）针对桥下净空不足的现状，拟设置警示装置，并在1#和14#主梁外侧涂反光材料，对船只通行起到警示作用。

4 加固设计

4.1 弯曲主筋外包钢板加固设计

从实际情况看，在正常使用状态下，原结构的运行情况良好，船只撞击致1#主梁和5#主梁最下层主筋弯曲退出工作。为了不降低主梁的承载能力，用粘贴钢板的方法来补充退出工作的主筋，加固钢板选用A3热轧钢板（Q235钢材）。

主梁下层主筋面积Asl=1 741 mm2，原跨中主筋面积As=5 544 mm2。受损前后，跨中均属于超筋截面，跨中极限承载能力不降低，刚度有所降低。1#梁主筋弯曲部位距离支点约2 m，参考原设计图纸，受损截面原主筋面积为3 261 mm2，极限承载能力为426 kN·m，下层钢筋退出工作后，主筋面积为1 520 mm2，极限承载能力为200 kN·m。为了不降低原梁的抗弯刚度和承载能力，并考虑到钢板二次受力及原梁破损情况，选用6 mm（采用10 m长钢板）厚的A3钢板进行外包加固，然后灌注灌浆料（环氧胶）。钢板按图12所示外包于主梁马蹄底面与侧面。两侧外边梁1#和14#主梁外侧设置防撞警示装置，提醒过往船只注意桥梁净空能否通过，尽量减少主梁被撞的机会，警示装置如图13所示。材料选用薄钢板材料，并安装弹簧装置，使警示板在正常状态下，具有一定的刚度保持稳定。

图12 粘贴钢板横断面示意图（单位：mm）

图13 警示装置侧面示意图（单位：mm）

钢板长度需要考虑主筋的失效长度与钢板的锚固长度，计算得钢板锚固长度应不小于1.45 m，即钢板在主筋弯曲部位向两侧至少延伸1.45 m。

为了保证锚固安全，钢板端部1 m范围内采用镀锌M12化学螺栓锚固，间距100 mm，中部采用镀锌M8螺栓固定，间距120 mm，锚固深度不低于80 mm，锚固位置要避开主筋，在纵向与竖向允许一定的误差。

4.2 防撞警示装置设计

考虑到桥梁通航净空不足的问题，拟在中跨

5 结语

通过对某工字梁桥主梁受船撞损病害机理的有限元模拟计算分析，为该桥的处置对策和加固设计提供了可靠的理论依据。现该桥已维修加固，经过一段时期的定期跟踪观测，表明其撞损主梁加固后的结构受力状态达到了原设计要求，同时设置的防撞警示装置能有效减少桥梁的被撞概率。该桥撞损病害的处治经验具有一定的参考价值，可为同类桥梁提供借鉴作用。