加设横梁法加固钢筋混凝土连续箱梁方案研究

段继祖

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 工程概况

该高架桥是国道主干线在山西境内的重要组成部分，桥梁全长2 611.6 m，由左右两幅组成，主要以25 m装配式预应力混凝土连续箱梁为主，间有15 m、20 m、26 m跨装配式预应力混凝土连续箱梁，桥面净宽14.0 m；桥梁下部结构为柱式墩、肋板式台，基础为钻孔灌注桩，桥面铺装类型为沥青混凝土。桥梁设计荷载等级为：汽车-超20级、挂车-120级；地震基本裂度为Ⅶ度。该桥于2001年建成并投入使用。

由于长期受运煤超载车辆影响，导致该桥超负荷运营，造成部分梁体出现不同程度病害，经过对梁体进行专项检测，本桥技术状况综合评定等级为“三类”桥梁，为保证高速公路运营安全，需对该桥进行维修加固处治。

2 桥梁病害情况

通过桥检，全桥存在病害梁体多达1 344片，其中边梁656片，中梁688片，右幅的病害较多，边梁和中梁数量相近。全桥主梁共出现裂缝8 054 m/5 597道，其中底板横向裂缝1 766 m/1 790道，裂缝最宽0.64 mm；底板纵向裂缝3 401 m/768道，裂缝最宽0.63 mm；腹板竖向裂缝2 419 m/2 804道，裂缝最宽0.86 mm；腹板纵向裂缝467 m/235道，裂缝最宽1.07 mm，底板横向、腹板竖向裂缝主要分布在梁跨的L/4和3L/4之间，其中U型缝240道分布在155片梁的L/4和3L/4之间。同时，上部混凝土结构出现大面积缺损、露筋、渗水、泛碱。

3 病害原因分析

a）装配式连续箱梁是20世纪末在国内大面积推广使用的一种先简支后连续的桥梁结构形式，该结构形式很好地解决了简支梁桥桥面容易产生连续裂缝的问题，大幅度提高了行车的舒适性，但这种结构也存在横向联系弱、结构整体性较差的缺点。

通过图1中受力变形分析可以看出，箱梁在承受车辆荷载时，由于缺少跨中横梁对箱梁变形的有效约束，梁体在受力过程中容易出现相对位移和扭转，致使各梁的受力和变形缺乏有效协调，各梁之间受力变形形态差异较大，单梁结构计算采用的横向分布系数小于实际承担的荷载效应，车轮作用的主梁实际承担的荷载效应较大。

图1 箱梁受力空间变形状态

b）该高架桥2001年正式通车运营，运营数十年来，交通量剧增，超载超限车辆大幅增加，对桥梁的运营状态产生了严重的破坏，致使该桥过早产生病害并持续发展。根据桥梁检测报告，近几年来该桥病害发展呈加速发展状态，桥梁整体状况总体呈现逐年下降趋势，混凝土老化疲劳现象和预应力损失程度加剧，已经严重影响到桥梁的安全运营。

c）该高架桥设计阶段箱梁结构尺寸偏小，钢筋及预应力管道定位困难，混凝土保护层厚度普遍不够，且早期施工力量薄弱，造成桥梁质量普遍偏低，也是造成桥梁早期损坏的原因之一。

综合以上原因分析，由于设计阶段存在箱梁结构不合理、箱梁整体刚度较差，造成各梁在承担车辆荷载时与实际情况不符，出现相对位移和扭转，造成箱梁腹板早期出现竖向裂缝，底板出现横向裂缝；另外车辆超载也是造成箱梁病害快速发展的原因之一。

4 结构加固目标

a）本次加固以提高全桥箱梁整体刚度为主要目的，对全桥连续箱梁增设横梁，将原设计铺装层调整为双钢混凝土，提高桥梁的整体刚度，改善活载的横向分布。

b）对于底板横向裂缝大于等于0.1 mm的普通箱梁，按此联内所有与此梁相同编号(单幅)的箱梁增设体外预应力钢束；变宽箱梁按底板横向裂缝大于等于0.1 mm的梁跨增设体外预应力钢束，以提高开裂箱梁持久状况下结构的极限承载力。

c）对细微裂缝进行灌缝封闭，避免环境对主梁结构的进一步影响，提高主梁的耐久性。

在回归模型Y=g(X)+ε中，当g(X)=E(Y|X)时，有GMC(Y|X)=R2。但R2主要用于回归分析，GMC则可以用来测度随机变量间的解释方差。

d）对混凝土剥落、露筋、腐蚀等部位进行修补，更换损坏老化的橡胶支座，进一步提高桥梁的整体使用性能。

5 加固方案比选

通过对病害产生的原因分析后得知，本桥加固重点在于对横梁加固方式的选择上，设计阶段提出以下两个加固方案，方案一是上部结构采取跨中增设1道贯通箱体的钢横梁法；方案二是上部结构采取跨中增设1道贯通箱体的钢筋混凝土横梁法。

5.1 方案一 上部结构采取跨中增设1道贯通箱体的钢横梁法

5.1.1 裂缝处理

对上部结构中裂缝宽度小于0.15 mm的裂缝采用封闭法进行修补，裂缝宽度大于等于0.15 mm的裂缝采用压力注浆法进行修补。

5.1.2 跨中增设横梁

对全桥装配式连续箱梁跨中增设2道贯穿箱体的钢结构中横梁。

5.1.3 箱梁底部施加体外预应力

对底板横向裂缝大于等于0.1 mm的开裂箱梁，每片梁增设两束15-4体外预应力钢束；变宽箱梁按底板横向裂缝大于等于0.1 mm的现浇箱梁，每片梁增设两束15-8体外预应力钢束。

5.1.4 桥面铺装改造

凿除原有桥面铺装，更换为C50双钢混凝土。

5.1.5 桥墩盖梁裂缝

对桥墩盖梁中存在裂缝宽度小于0.15 mm的裂缝采用封闭法进行修补，裂缝宽度大于等于0.15 mm的裂缝采用压浆法进行修补。

5.1.6 上部结构破损、渗水、泛碱等病害处理

清除破损、渗水、泛碱区域混凝土，对钢筋除锈，采用环氧修补砂浆或环氧混凝土对破损区域进行修补。

5.2 方案二 上部结构采取跨中增设1道贯通箱体的钢筋混凝土横梁法

对全桥装配式连续箱梁跨中增设1道贯穿箱体的混凝土中横梁（比箱体高18 cm），同时在每道中横梁底增设两束15-2的预应力钢束，其余病害处置同方案一。

5.3 实体横隔梁横向结构分析

采用有限元软件对方案一中的1道钢横隔梁和方案二中的1道混凝土横隔梁分别进行结构分析，两模型均是求得边梁跨中点的影响面加载面，计算结果如表1。

表1 边梁跨中影响面竖向位移 ×10-2mm

图2 单位力边梁跨中竖向位移影响面

从以上计算结果可以看出，两个加固方案在加固效果方面基本相当，其两者位移影响面竖向位移接近，整体截面刚度有所提高，横向各梁受力更趋均匀，发挥了横隔梁作为刚性支撑的作用，结构整体受力性能提高，单梁受力的状态明显改善。

5.4 加固方案比选

经过综合对比，方案一、方案二在加固效果方面基本相当，而方案一在费用、工期和对原有结构的影响方面优于方案二，确定方案一为推荐方案。

6 结语

近年来，随着公路运营年限的增加，钢筋混凝土连续箱梁桥的病害也越来越多，科学合理的加固方案，既能节约成本，同时能达到良好的效果。本文是笔者根据桥梁加固的实践经验及桥梁加固工程实例，提出的独特的加固思路，通过对该高架桥加固方案的比选，为今后类似桥梁加固方案设计提供建议，更好及时地为现代交通运输服务。

表2 加固方案比选表