横向钢梁法和横向预应力法加固空心板梁桥实例分析

张瑞斌

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

我国在20世纪修建了大量的中小跨径桥梁，而空心板梁桥在中小跨径桥梁中占据了相当大的比重。早期建成的一些空心板梁桥，由于长期环境及车辆荷载的作用，出现了大量的病害缺陷及承载能力不足的情况，使得这些桥梁不能够正常运营甚至危及行车安全[1]，因此，空心板梁桥加固技术的研究和探索具有很大的现实意义。目前空心板梁桥桥梁加固技术也正朝着轻型、快速、不中断交通的目标进展。我国在空心板加固技术方面的研究已取得许多成绩。我国现已形成相对完善的加固技术体系，于2008年发行了国家标准《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22—2008）和行业标准《公路桥梁加固施工技术规范》（JTG/T J23—2008）两本规范，规范中总结了几种常见的加固方法和施工工艺：增大截面法、粘贴钢板法、粘贴碳纤维法、体外预应力法等。对于空心板梁桥来说，目前常用的加固方法有：化学灌浆加固法、增加横向联系、减梁增肋法、桥面补强层加固法、剪力钢筋加固法等。本文以某空心板梁桥加固项目为工程实例，开展对目前的两种较为实用的空心板梁桥加固技术：横向钢梁法、横向预应力法的应用研究[2]。从加固设计原理、施工工艺以及加固效果等方面进行分析对比研究，以期优选出适用于空心板梁桥的合理的加固方法，提高其承载能力。

1 工程概况

某主跨20 m的预应力空心板梁桥建于1972年，上部结构为预应力混凝土空心板，单板宽度为0.9 m，梁高0.8 m。该桥为简支结构，桥面宽度为8.5 m。原桥设计荷载等级为汽车-20级、挂车-120。经桥梁检测人员现场勘查表明，该桥空心板板底出现多条横纵向裂缝，并出现了铰缝破损脱落、梁体多处混凝土剥落露筋等病害。采用Midas Civil 2015有限元计算软件进行承载力验算，空间三维模型如图1所示。

图1 原桥有限元分析模型

将横向分布系数最大的板的跨中截面作为控制截面，验算其承载力[3]。计算分析表明，控制截面为1号板跨中，横向分布系数为0.412。按汽车-20级、挂车-120汽车荷载进行验算，跨中弯矩计算结果如表1所示。

表1 原桥内力计算结果 单位：kN·m

结果表明，由于原桥内力组合值大于结构抗力，表明原结构目前承载能力不足，需要进行加固改造，以保证正常使用，延长使用寿命。

2 加固方案设计

2.1 横向钢梁加固

2.1.1 方案设计

对空心板主梁利用粘锚钢横梁法进行加固处理。这种加固方法能够加强空心板之间的连接性，提高整体性和刚度，改善主梁的荷载横向分布，从而达到加固增强的效果[4]。具体操作方式为：在跨中位置布设一片钢横梁，沿纵向从跨中位置起向两端1 m处、2.5 m处、4.5 m处布设3片钢横梁。钢横梁采用2C型工字钢，其截面尺寸为200 mm×75 mm×9/11 mm。钢横梁的位置如图2所示[3]。

图2 横向钢梁粘锚钢梁示意图（单位：cm）

2.1.2 有限元模型

常用有限元分析软件Midas FEA对横向钢梁加固后的实桥进行建模分析，模型如图3所示。通过在铰缝位置释放梁端约束来考虑粘锚钢梁与主梁的横向联系情形，加载位置是通过在底板单元网格布设板单元来实现的，将各板与钢横梁粘锚的位置定义为弹性连接，从而使得钢梁与空心板为共同工作的整体[5]。

图3 横向钢梁加固后模型截面图

2.1.3 施工流程

横向钢梁法加固主要施工流程如图4所示，需注意在直接粘锚钢梁前应将设计方案结合现场放样确定施工具体位置，凿除施工部位表面的砂浆，再对表面进行清洁去灰。

2.2 横向预应力加固

2.2.1 方案设计

在空心板板底布设施加横向预应力，该技术对空心板铰缝位置的混凝土和钢筋的性能要求不高，具有加固施工便捷、适应性强的特点。综合考虑施工安全、预算等因素，用270级高强低松弛钢绞线布设于空心板底并张拉预应力，钢绞线公称直径为15.2 mm，公称面积为 A=139 mm2，标准强度为1 860 MPa，张拉控制力0.6fpk。拉应力沿纵桥向具有递减的特点，从而预应力应从跨中向两端逐渐递增。体外预应力筋的布置情况如图5所示，即跨中布设一根，距跨中1 m、2.5 m、4.5 m依次布设一根。预应力锚具采用KM15型锚具，垫板尺寸为80 mm×80 mm×14 mm[6]。

图5 横向预应力布设示意图（单位：cm）

2.2.2 有限元模型

横向预应力钢绞线与预应力空心板连接采用弹性连接，有限元模型如图6所示。在各片梁单元上加一层板厚为0.001 mm厚的板单元，作为加载部位，以便加载。

图6 横向预应力加固仿真模拟

2.2.3 施工流程

横向预应力法加固空心板梁桥施工的工序如图7所示。

图7 横向预应力加固施工流程

3 加固效果分析对比

3.1 挠度分析

3.1.1 设计荷载作用下挠度分析

加固施工完成后，在组合荷载作用下对空心板板底1/2L截面的挠度进行分析，结果如表2和图8所示。

表2 组合荷载作用下各板板底挠度值 mm

图8 空心板底1/2L截面挠度分布图

由图8可知，该桥在加固前跨中挠度横向分布较为离散，不均匀，在6号板处出现了比较明显的挠度突变，这是原桥各板横向连接不强，整体性差导致的。采用横向钢梁法和横向预应力法加固后，空心板板底跨中截面的下挠得到明显改善。同时，横向预应力法较横向钢梁法加固效果相对更佳，例如比较明显的8号板为例，采用横向钢梁法加固后，其板底挠度由5.58 mm减小到4.83 mm，采用横向预应力法加固后能够减小到4.51 mm。

挠度的横向分布均匀性可一定程度上反映空心板梁桥横向的整体性，从以上图表中可知，加固后的空心板梁桥横向分布得到改善，其中横向预应力法较横向钢梁法对横向分布的改善稍明显。

3.1.2 1号板加载作用下挠度分析

加固前空心板梁桥的1号板具有最大的横向分布系数，即横向连接性能最差，故在1号板1/2L截面处施加一集中力，分析在集中力作用下的上述两种技术的加固效果，分析结果如表3和图9所示。

表3 1号板加载下各板板底挠度值 mm

图9 1号板加载下各板底挠度分布图

图9表明，加固前的空心板主梁挠度横向分布不均匀，在6号板1/2L截面处存在比较大的突变，原桥横向连接性能不强。采用横向钢梁及横向预应力加固后，各空心板单板挠度得到减小。其中，横向预应力法加固后结构挠度减小更为明显，但二者对结构挠度的改善效果比较接近。挠度曲线的平滑程度上，横向预应力法加固后挠度曲线更加平缓，即结构整体性改善效果更佳。

3.2 应力分析

3.2.1 1/2L截面各板间铰缝下缘应力

空心板板间纵向裂缝主要是由于铰缝开裂引起的，铰缝开裂还会引起空心板主体结构发生横向开裂，从而出现单板受力情况。空心板板间的抗裂性能主要是由铰缝底部的横向应力直接反应的，表4为两种加固方式加固前后铰缝底部应力峰值对比结果。

表4 铰缝底缘应力峰值对比 MPa

对比结果表明，横向钢梁法和横向预应力法加固空心板后，铰缝底部拉应力峰值得到降低，横向预应力加固后效果更佳，由加固前的拉应力3.626 MPa调整为压应力2.668 MPa。从结构横向抗拉的角度来说，横向预应力法对原结构改善更为明显。

3.2.2 跨中各板板底应力

表5为两种加固方式加固前后各板板底拉应力峰值对比结果。

表5 各板板底拉应力峰值对比 MPa

对比结果表明，横向钢梁法和横向预应力法加固空心板后，板底拉应力峰值都有较明显减弱，底板应力状态由加固前的受拉状态变为受压状态，承载力得到显著提高。从本桥分析来看，横向钢梁法对空心板板底纵向拉应力的改善优于横向预应力法。

4 结语

本文对某空心板梁桥进行承载能力检算，检算结果表明其承载能力不足，从而分别采用横向钢梁法、横向预应力法对该桥进行加固设计，然后对比分析在两种加固技术加固后的主梁挠度、应力。分析结果如下：

a）空心板梁桥在加固后承载能力得到提高。用两种加固技术加固后，该病害桥梁的跨中挠度得到明显降低。其中，横向预应力加固法在挠度改善上要优于横向钢梁法。

b）对上部结构加固后其横向整体性得到增强，横向预应力法加固后挠度曲线更加平缓，即结构整体性改善效果更佳。

c）空心板梁桥的铰缝抗裂性能以及空心板纵向抗裂性能得到增强，两种加固方法加固空心板后，板底拉应力峰值都有较明显减弱，承载力显著提高。横向钢梁法和横向预应力法对纵向拉应力的改善情况比较接近。