预应力连续箱梁桥加固设计方案及验算分析

潘浩君

（惠州市天虹道路桥梁工程监理有限公司，广东 惠州 516007）

我国桥梁维修加固的研究最早可追溯到上世纪70年代。上世纪80年代，我国对这一领域的研究主要集中在旧桥检测、状态评估和维修加固技术上，积累了一定工程经验；到了90年代，我国有关部门加强了对这一研究领域的重视，相关课题被列入了1989-1990年的交通部科技进步“通达计划”[1]。在这些措施的大力推动下，我国的桥梁维修加固研究取得了一些宝贵经验，也有一些维修加固改造成功的范例[2]。大量工程实践表明，在原有桥梁基础上进行加固相对于拆除新建有明显的经济优势，直接减少投资比例可达10%～30%，压缩近半工期，成倍加速投资回收[3-4]。国外发达国家经历桥梁建设高峰后，大量既有桥梁迫切需要加固，这使得这些国家的桥梁建设重点已经转移到旧桥的维修加固。桥梁建设作为国家基础设施建设的重要部分，与国家的发展水平直接相关，通常包括新建为主、新建与维修共存、旧桥维修加固为主三个发展阶段，我国己经发展到了第二阶段[5-8]。日本在上世纪80年代的统计资料表明，约有5500座桥梁存在承载力低等不适应正常使用要求的桥梁。美国做为世界上最大的发达国家，基础设施建设已很完善，故其针对桥梁建设的投资主要用于旧桥的维修加固，每年仅有百分之十左右的投资适用于新建桥梁的[9]。

综上所述，世界各国交通管理部们已经对此给予了充分重视，旧桥的维修加固研究仍有很大的发展空间[10-11]。本文以娄底一桥为例，对变高度预应力混凝土连续箱梁桥病害情况进行了分析，提出了一套维修加固设计方案。

1 工程概况

娄底市娄底一桥位于娄底市娄星区，是中心城区连接娄星南路与娄星北路的主要桥梁，跨越涟水河。桥梁全长 202.12m，跨径布置：27m+43.5m+73m+43.5m，上部结构为变截面悬臂浇筑连续箱梁，单幅桥为单箱单室，下部结构为双柱式墩，组合式桥台，基础为嵌岩桩。根部梁高为4m，中部梁高为2m，梁高按抛物线变化，桥面纵坡小于 3%，主桥立面和横截面布置如图1、图2示。

桥跨型式：主桥为双幅连续箱梁，跨径布置：27+43.5+73+43.5m；桥面宽度：全宽32m，横向布置为3.0m人行道+11.75m行车道+0.5m防撞护栏+1.5m中央分隔带+0.5m防撞护栏+11.75米行车道+0.5m防撞护栏；桥面纵坡：小于3%；桥面横坡：1.5%（单幅单向坡）；活载等级：城-A级（CJJ77—98）；通航等级：Ⅵ-（2）。

图1 主桥立面布置图（单位：cm）

图2 主桥横截面布置图（单位：cm）

2 老桥质量现状

2.1 主要病害

（1）主梁施工质量差，跑模、漏浆现象严重，混凝土浇筑质量较差，箱梁内外部均有较多的孔洞、空洞、露筋、施工垃圾浇筑入梁体等病害，甚至有部分节段因浇筑质量差，竖向预应力钢筋及锚具外露。

（2）左幅3号跨跨中部分梁段底板出现纵向裂缝；右幅3号跨跨中部分梁段底板因漏浆严重，形成二次混凝土表层，该混凝土薄层出现网状裂缝。

（3）箱梁内出现较多的裂缝，其中较为典型的是出现在支座附近及跨中四分点附近的斜裂缝，宽度普遍较大，在本次检测的边跨中载荷试验工况当中，对左幅编号为XLF10的裂缝进行了观测，加载前0.37mm，加载后0.43mm，卸载后为0.39mm。

（4）箱梁内出现较多的裂缝，另一个较为典型的是横隔板及横隔板附近顶板出现较多的抗扭裂缝，裂缝规律较明显。

（5）右幅第一跨梁端顶板中部出现较密集的纵向裂缝。

（6）防撞栏杆钢筋保护层偏薄，出现较大区域的钢筋锈胀。

（7）人行道枋座钢筋保护层偏薄，全桥均有不同程度的钢筋锈胀，人行道栏杆柱全桥出现不同程度的锈蚀。

（8）台后填土沉降明显，桥台搭板处出现裂缝，左幅0号台人行道板沉降明显，4号台两侧挡土墙出现裂缝。

（9）主梁裂缝超限，属于D级桥梁。

（10）静载试验过程中，温度、应变、挠度、裂缝等数据均满足理论计算及设计的要求，各工况的残余应变（变位）均满足规定小于等于 0.2的要求，桥梁整体在试验荷载作用下尚处于弹性工作状态，且现场无异常现场发生。

（11）动载试验过程中，所测结构频率均大于理论计算值，实测模态与理论模态基本吻合，桥梁结构反应平稳，无异常现象发生。

2.2 病害情况及分析

娄底一桥部分病害示意图如图3所示：

图3 娄底一桥主要病害

对娄底一桥的主要病害进行分析，其可能产生的原因如下：

（1）主梁裂缝较多，支座附近、四分点附近及腹板变厚段附近出现多条斜裂缝：因施工质量较差，竖向预应力损失较大；

（2）主梁裂缝较多，横隔板及横隔板附近顶板出现较多裂缝：跨中及梁端横隔板抗扭刚度偏弱，再加上施工质量较差，横隔板中横竖向预应力损失较大；

（3）右半幅第一跨梁端顶板中部出现较密集纵向裂缝：施工质量差，桥面板横向预应力损失导致顶板中部下缘受拉开裂；

（4）混凝土空洞、孔洞、露筋：施工缺陷；

（5）护栏、栏杆破损及裂缝：钢筋保护层偏薄，钢筋锈胀所致；

（6）台后人行道塌陷错位：台后填土沉降所致；

（6）对护栏及栏杆进行修补或更换；

（7）在桥梁营运过程中严格按照《城市桥梁养护技术规范CJJ99-2003》[12]的要求，定期进行桥梁检查、养护工作，加强桥梁的管理。

3 主要维修加固措施

针对此桥的相关病害情况，本次维修加固采用下列措施进行：

3.1 腹板粘贴钢板补强设计

对0～3L/8、5L/8～L处腹板采取的粘钢加固中，钢板条采用8mm厚的钢板，压条采用6mm厚的钢板。斜向钢板条的轴线间距为35cm。

（1）粘贴钢板前，须对砼表面的常规损伤先行处理，砼表面清理干净并找平后粘贴钢板。

（2）钢板采用5.8级高强化学锚栓（M12）固定，锚栓布置间距为20cm。

（3）避免在种植螺栓过程中对原结构钢筋造成破坏，在钻孔前先对原有结构部位钢束和钢筋探测、内定位，对孔道位置进行调整，避开钢筋位置。

（4）粘贴完钢板之后需做好防护（腐）和防火处理，防护可采用钢丝网高强抗裂砂浆涂刷。

（5）施工顺序：a.裂缝等常规损伤修复；b.砼表面清理，找平，露出新面；c.植入螺栓；d.钢板安装；e.表面防护（腐）及防火处理。

（6）箱梁内腹板粘贴钢板构造，钢板条宽15cm、厚8mm，净间距20cm，钢板条与水平向斜向 45°粘贴，钢板位置可根据腹板斜向裂缝位置适当调整，裂缝在钢板粘贴范围之内，外观整齐，美观。全桥部分梁腹板粘贴钢板补强示意见图4至图6。

图4 0#台-1号墩腹板粘贴钢板加固示意图

图5 1号墩-2号墩腹板粘贴钢板加固示意图

图6 2号墩-3号墩腹板粘贴钢板加固示意图

3.2 顶板及横隔板碳纤维布补强设计

图7 横隔板顶板加固立面示意图

图8 横隔板顶板加固平面示意图

图9 横隔板顶板加固 横断面示意图

图10 横隔板加固立面示意图

图11 横隔板加固 平面示意图

顶板及横隔板采取的粘贴碳布加固中，均采用20cm宽碳纤维布，碳布的主、次要受力方向轴向间距均为30cm，且均为2层粘贴。全桥部分顶板及横隔板碳纤维布补强设计见图7至图11。

4 加固结构验算

4.1 加固验算说明

对该桥进行设计复核，结果表明：娄底一桥结构强度、刚度和应力均满足原设计规范要求。考虑病害现状，按《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)考虑各种折减后进行验算，结构亦满足原设计规范要求。此桥主要结构性病害为箱梁腹板斜裂缝，采用粘贴钢板进行加固补强，提高抗剪承载力和耐久性；其他病害均为常规损伤。结构维修加固后，结构上的荷载增量主要是粘贴钢板重量，约为1.5kN/m。经计算，荷载增量对结构受力影响较小，结构整体计算满足规范要求，本节不再列出详细结果，仅对粘贴钢板加固后结构斜截面抗剪承载力进行计算。

4.2 抗剪加固承载力验算

考虑到箱梁腹板主拉应力超出规范限值较小，正应力满足规范要求及未出现箱梁跨中下挠过大等病害。本加固设计未采用体外预应力等主动加固方式，采用箱梁腹板粘贴钢板进行斜截面抗剪加固补强，具体钢板粘贴方式及尺寸见加固设计图纸，根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22-2008）5.2.8条及6.2.7条规定进行计算。

计算内力从前述计算模型提取，加固后主梁控制截面抗剪强度计算结果如下表1所示，由计算结果可知加固后抗剪承载力满足要求。

表1 加固后主梁截面抗剪计算

（续表1）

5 结论

通过计算和分析，可得出以下结论：

（1）加固设计方案的提出是建立在病害情况的基础上的。本文在对于每一处病害，认真分析其原因的基础上，提出了一套可行的加固设计方案。

（2）本文给出了针对腹板和横隔板的加固设计方案，包含详尽的施工流程和示意图，对同类型桥梁的维修加固工程有一定参考价值。

（3）对加固后结构验算，结果表明：验算后桥梁结构承载能力良好，加固设计方案合理。

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