基于Midas Civil分析的桥梁承载力及维修加固处理

帅培建，杨 洁

（1.重庆中设工程设计股份有限公司，重庆400041；2.重庆市勘测院，重庆 222000）

1 工程背景及概况

随着我国城市化进程的不断深入，城市基础设施得到了相当程度的发展。桥梁在城市交通中起着举足轻重的作用，其功能性能否发挥对整条道路的畅通与否有直接影响。为保障桥梁的安全性、了解桥梁结构现状，查明桥梁病害、缺陷，并揭示桥梁安全隐患，对桥梁结构进行检测、加固、维修和保养十分必要。

重庆市沙坪坝区滨江路羊角堡立交A线匝道桥全长272m，桥面宽度为9m，共设3条伸缩缝，与主桥连接处采用FD 80型伸缩缝，其余两道均为CD 60型伸缩缝；上部结构采用普通钢筋混凝土连续箱梁，主梁为单箱单室。设计荷载标准为汽－超20、挂－120。桥梁建成时间为1999年，于2013年12月由重庆市市政设计研究院工程检测中心对该匝道进行检测。

2 桥梁主要病害及成因分析

2.1 伸缩缝破损

1）病害成因:由于梁体变形、支座位移、墩柱发生倾斜等因素致使伸缩缝变宽，止水带破损、脱落；

2）主要危害:降低了伸缩缝保护带的耐久性和行车舒适性。

2.2 主梁破损露筋

1）病害成因:钢筋局部布置过密、混凝土浇筑质量较差、振捣未充分导致混凝土保护层偏薄、破损、露筋锈蚀；施工脱模不当或架设时撞击、磕碰，造成梁体混凝土局部破损，部分露筋锈蚀；

2）主要危害:加剧钢筋的锈蚀，降低桥梁的耐久性。

2.3 主梁裂缝

1）病害成因:主梁脱模过程操作不规范；支座脱空或不均匀变形导致主梁受弯扭联合作用；由于温度、收缩及膨胀等因素，使结构产生微裂缝，在外荷载的作用下，局部微裂缝逐步演变成宏观裂缝。

2）主要危害:降低了桥梁耐久性，对桥梁承载能力存在不利影响。

2.4 支座局部脱空、偏移

1）病害成因:支座安装时的偏差导致支座脱空，荷载的作用进一步加剧了支座的脱空；施工中存在误差或墩柱倾斜造成支座局部或完全脱空，部分支座位置偏移。

2）主要危害:支座脱空后压应力将会大大提高，主梁除受弯外还受到扭矩的作用，引起主梁翼缘板纵向开裂、改变结构支撑条件。

2.5 独柱墩侧倾和伸缩缝错位

桥墩加固的主要目的是提高桥墩的整体承载力。病害成因:桥梁位于曲线段，温度和离心力作用于梁体，通过横向限位支座作用于独柱墩上，其刚度小变形较大，长期反复作用形成独柱墩外倾变形和伸缩缝错位；桥梁左侧山坡坡体发生移动等变化，桥墩被弃土侧向掩埋，使桥墩受到侧向土压力作用，致使桥墩发生侧向倾斜。

2.6 直线梁段向上爬移

病害成因:3#伸缩缝和断缝预留安装没有考虑温度下降和后期收缩补偿，导致伸缩缝在温度低的冬天拉坏。桥面垃圾堵塞梁端与背墙的预留断缝，限制梁端向下（背墙方向）伸长，温度升高梁体只能向上爬移。温度反复变化，预留断缝不断变大，直线梁段向上爬移。

3 结构计算结果

3.1 验算范围及验算内容

验算范围:上部结构箱梁，下部结构桥墩；

验算依据及标准:验算荷载等级为汽－超20，挂－120。

3.2 承载能力检算分析软件及计算指标

1）使用程序:MIDAS／Civil 2010；

2）构件类型:钢筋混凝土；

3）构件制作方法:现浇；

4）Z1（旧桥检算系数）根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG／T J21－2011）规范取值为0.95。

3.3 验算内容

1）建立主梁模型分析，对桥梁运营工况（见图1、图2）和更换支座工况（见图3、图4）进行使用阶段正截面抗弯承载力验算，桥梁运营工况被称为工况1，更换支座工况为工况2。

2）通过读取上部结构的支反力，对下部桥墩进行验算。

3.4 主梁检算

主梁按直线桥分析，不考虑纵坡的影响，基于空间杆系结构理论建立模型进行分析。支座更换时，不考虑汽车荷载，同时6、7、8号支点可顶升至＋25mm处。

图1 工况1：主梁正截面抗弯承载力 （最大值）

图2 工况1：主梁正截面抗弯承载力 （最小值）

计算表明，主梁各单元截面抗弯承载力验算结果均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62－2004）的相关要求。

3.5 桥墩承载能力检算

根据计算结果:5号支点支反力最大，对应11号墩位置，墩高为24.5m。结构重要性系数γ0＝1.1，构件弯矩设计值Md＝2 438.91kN·m，轴力设计值Nd＝5 338.36kN。

图3 工况2：主梁正截面抗弯承载力（最大值）

图4 工况2：主梁正截面抗弯承载力（最小值）

按照规范规定，正截面抗压承载力应满足以下要求

代入数值:Ndu＝Ar2fcd＋Cρr2fsd′＝6 209.45 kN ≥γ0Nd＝1.1×5 338.36＝5 872.2kN，Mdu＝Br3fcd＋Dρgr3fsd′＝583.52kN·m ≥γ0Nde0＝1.1×5 338.36×0.899 24＝5 280.51kN·m。

计算表明，桥墩抗弯、抗压承载力验算结果均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62－2004）的相关要求。

3.6 支座验算

根据上部结构的计算结果，标准组合支反力为1 512.95kN，选定的支座型号 GJZF4 400×500×86，其容许最大承压力为1 911.0kN。

橡胶支座的承压强度

当不计入制动力时，橡胶支座剪切变形角α需满足为由上部结构温度变化、混凝土收缩和徐变等作用标准值引起的剪切变形和纵向力标准值产生的支座剪切变形，tes为支座橡胶层总厚度。代入数值

支座抗滑稳定检算

由以上计算可知，支座的选取符合规范规定。

4 维修加固方案

4.1 混凝土裂缝处理

对于宽度＜0.15mm的裂缝，采用环氧砂浆进行表面封闭处理。对于宽度≥0.15mm的裂缝，首先采用压力灌注环氧树脂法进行修补，以提高结构耐久性，然后进行封闭处理。

4.2 混凝土破损、露筋处理

对于混凝土破损露筋，首先对裸露锈蚀钢筋进行除锈，然后采用环氧砂浆进行修补处理。孔洞及破损深度超过5cm的深层疏松区采用环氧混凝土修补，未超过5cm深度用环氧砂浆修补；施工前需对病害混凝土表面的破损、腐化、松散等区域进行凿除、清理。修补后在其外表面涂刷渗透型钢筋阻锈剂，渗透进混凝土，形成一层保护膜，以阻止钢筋锈蚀。

4.3 伸缩缝破损、更换处理

对于损坏的伸缩缝橡胶条止水带，应从其中心位置破开，然后取出破损部分，再用同长度的相同型号橡胶条补上缺口，新放入的橡胶条应与原橡胶条粘结牢固。对扭曲、不平顺的橡胶条应人工进行纠正，保证橡胶条顺直。

对于需更换的伸缩缝应将原伸缩缝保护带凿除，露出伸缩缝槽口，安装新的伸缩缝，要求槽口面平整，型钢竖直安装时伸缩缝的中心线与梁端中心线相重合，且纵、横坡度符合要求，并与两侧的沥青混凝土面平顺相接。

4.4 支座锈蚀、偏移处理

根据检测报告资料，该项目多处支座出现锈蚀、损坏及偏移等病害，其处理措施如下:

1）对于轻微锈蚀的支座，对支座钢板进行除锈及防腐处理；

2）对于严重锈蚀及损坏的支座，进行支座更换处理；

3）对于支座偏移病害，当偏移≥2%的支座，在顶梁后进行支移，偏移较小时在顶梁后进行支座调平。

4.5 墩身加固处理

墩身裂缝修补后，再对墩身围束粘贴座进行更换，同时在独柱墩及桥台台帽处增加限位装置，保证支座不出现偏移脱空的危险。采用双向碳纤维布进行加固，加强桥墩的承载力，抑制裂缝的扩展，提高墩柱的延性。

4.6 独柱墩侧倾

从现场看该桥建成后，针对独柱墩侧倾，进行加固处理，采取的主要措施:对曲线段的4#、7#、10#双柱墩由原来的支座支撑改为墩梁固结；对曲线段的5#、6#独柱的墩身下部采用截面增大法进行加固处理，其桩基基础采用增加一个桩基加横系梁法进行加固处理；从加固效果看独柱墩侧倾和伸缩缝错位得到了控制。本次施工拟采取加固措施:梁体与独柱墩、桥台帽之间的梁增加钢牛腿挡块，增加抗横向侧倾的整体刚度；墩身围束要粘贴双向碳纤维布进行加固，提高其承载能力；后期加强观测，特别是对地质灾害的影响观测。

4.7 直线梁段向上爬移

处理措施:更换3#伸缩缝，清理预留断缝处的垃圾，防止堵塞断缝，后期注意伸缩缝的保养，保证其伸缩功能正常。

5 结束语

根据检测及验算可知该桥梁的整体状况合格，桥面铺装、伸缩缝及附属工程存在着大量病害，对桥梁的使用和耐久性有较大影响，需要对桥梁进行加固维修。

该桥的加固主要是针对裂缝和附属工程进行加固，桥梁的使用性能和承载力都得到了提高。

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