某市政桥梁加固方案设计

武东超，方圆 （安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 工程背景

1.1 桥梁简介

某市政桥梁主桥跨径布置为45m+70m+45m，采用分离式双幅桥面，左、右幅桥面宽均为18m，桥面全宽为38m，双向8车道；设计荷载等级为汽车-超20级，挂车-120。桥梁上部结构采用三向预体系应力变截面连续箱梁，采用悬臂现浇法施工；主梁采用单箱单室截面，顶板宽18.0m，底板宽9.5m；主梁标准梁高为2.0m，中支点处梁高为4.0m，梁底下缘采用圆曲线变化；箱梁腹板标准厚度为0.5m，支点处腹板厚度为0.7m。在主桥全长范围内，主梁两腹板均采用Φ32的高强精轧螺纹钢筋设置了竖向预应力，主梁仅在中支点两侧各14m范围内设置了腹板下弯束，中跨最外侧腹板下弯束距跨中21m。该桥在1999年9月完成施工图设计，于2001年6月建成通车。

1.2 桥梁病害

根据2018年桥梁定期检测报告及现场调查，主桥中跨箱梁腹板外侧出现斜裂缝，腹板斜裂缝分布均位于跨中至腹板下弯束范围内，具体为：距跨中6～12m范围，左幅中跨右侧腹板出现4条斜向裂缝，最大裂缝宽度为0.18mm；距跨中5～15m范围，右幅中跨右侧腹板出现9条斜向裂缝，最大裂缝宽度为0.30mm；距跨中8m处，右幅中跨左侧腹板出现1条斜向裂缝，最大裂缝宽度为0.20mm。

图1 桥梁横断面图（cm）

图2 箱梁腹板下弯束布置图（cm）

图3 腹板斜裂缝实景图

根据桥梁检测报告，评定本桥技术状况等级为D级（不合格）。由于箱梁腹板开裂后，将影响结构耐久性，降低腹板抗剪承载能力；因此，急需对本桥进行加固维修处理。

2 结构检算

为了解桥梁使用状况，更准确地分析病害原因，采用有限元软件Midas Civil按原设计建立主桥单梁有限元模型，对桥梁结构进行检算，为制定加固方案提供依据。计算模型采用空间梁单元模拟主梁，全桥共计54个单元，通过约束节点自由度模拟主梁边界条件。

图4 主桥有限元模型

主桥箱梁采用三向预应力体系，按照A类部分预应力构件进行检算。分别按照原设计汽车荷载标准（汽车-超20、挂-120）及现行规范规定的汽车荷载标准（城市-A级），对中跨主梁关键截面的正截面抗弯承载力及斜截面抗剪承载力进行检算。

中跨关键截面抗弯承载力检算表（kN·m） 表1

中跨关键截面斜截面抗剪承载力检算表（kN） 表2

计算结果表明，中跨主梁关键截面的正截面抗弯承载力及斜截面抗剪承载力均满足原设计规范及现行规范要求。

3 原因分析

箱梁腹板出现斜裂缝是由主拉应力超出混凝土抗拉强度引起的，箱梁纵向预应力及竖向预应力均直接影响腹板斜截面抗裂。主梁腹板竖向预应力钢筋较短，张拉锚固后钢筋回缩将抵消近一半的张拉伸长量，考虑后期收缩徐变等影响，腹板竖向钢束有效预应力将损失殆尽。根据老桥施工图设计文件，主桥70m中跨箱梁采用内置劲性钢骨架合拢施工；结合国内预应力混凝土连续梁桥工程实践，该工艺会造成预应力损失比理论计算值大。

图5 距跨中11.5m处截面

为进一步分析病害原因，将中跨跨中箱梁底板钢束预应力损失分别取理论计算值的1.1、1.15及1.2倍，考虑腹板竖向预应力损失50%、80%及100%，选取两处腹板开裂的截面（距跨中11.5m及15m），对其腹板进行定量抗裂性分析。

由上述计算结果，底板束预应力损失对主拉应力影响约为3.6%，竖向预应力损失影响约为46.7%，可见腹板竖向预应力损失对主拉应力影响更为显著。当竖向预应力损失至100%时，截面主拉应力为2.909MPa＞ftk=2.65MPa；综合考虑温度、箱梁空间畸变效应及车辆偏载等作用影响，将导致腹板混凝土开裂。

图6 距跨中15m处截面

加固方案对比表格 表3

主桥跨中合拢段采用的内置劲性钢骨架对跨中梁段起到加劲作用，增大了主梁抗弯刚度，使得跨中梁段不易挠曲，导致变形向中支点方向转移。在中支点附近梁段，主梁设置了腹板下弯束，对主梁抗剪承载力及抗裂起到很大有利作用。而在跨中至腹板下弯束间梁段，主梁内力及变形均相对较大，由于没有设置腹板下弯束，但主梁腹板竖向预应力损失很大，综合其他不利因素，将导致跨中至腹板下弯束梁段产生腹板斜裂缝。根据检测报告及现场调查，主梁腹板斜裂缝均位于跨中至腹板下弯束间梁段，与上述分析基本一致。

4 加固方案设计

4.1 加固方案

箱梁腹板开裂后，将影响结构耐久性，降低腹板抗剪承载能力，需对老桥腹板进行加固处理。在制定加固方案时，综合考虑安全性、经济性、工期及施工可操作性等因素，选择不同的加固方案进行比较，使加固方案切实、合理、可行。

考虑现状主梁无明显挠曲，综合比选后，采用粘贴竖向钢板对箱梁进行加固。

为减少钢板不均匀应力、防止钢板条间混凝土产生裂缝，充分发挥钢板强度，采用小间距密集布置加固钢板，并选择宽厚比大、厚度相对较薄的钢板。竖向钢板条宽为25cm、厚6mm，纵向中心间距为45cm；纵向钢板压条宽为18cm、厚6mm。为防止腹板斜裂缝向底板延伸，在两腹板下缘对应位置的底板外侧分别设置一道纵向钢板条进行加强，钢板条宽25cm、厚6mm。

图7 钢板加固布置断面（mm）

同时，在钢板压条与竖向钢板交叉位置采用锚栓群连接，在压条端部设置附加锚栓群，使竖向钢板与纵向钢板压条形成有效刚架。

4.2 加固验算

根据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22-2008），钢筋混凝土受弯构件加固后，斜截面抗剪承载力按下列公式计算：

式中各参数详见规范相关条文。为统计计算方便，将上式采用字母进行替代。

钢板加固后斜截面抗剪承载力 表4

为改善后期可能出现腹板斜裂缝向内力较大且没有设置腹板下弯束的位置转移，将腹板粘贴钢板的加固范围由开裂位置向中支点方向延伸，加固范围为中跨距跨中4～21m，加固后箱梁斜截面抗剪承载力计算值均满足要求。

5 结论

本文通过主梁腹板抗裂定性分析及定量分析，得出腹板产生斜裂缝是由没有设置腹板下弯束，而竖向预应力损失大引起的；通过综合分析比选，采用粘贴竖向钢板的加固方案对主梁进行加固。该加固方案加固效率高、外观美观，且施工简单方便，提高了老桥的耐久性及抗剪承载能力，延长了其运营年限，对该桥而言是一种较为合理的加固方案。本加固方案可以为相似桥梁的加固设计提供了有益参考。