体外预应力+钢桁架横隔梁+粘贴钢板加固开裂桥梁力学性能研究

陈栋栋

（山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司），山西 太原 030032）

随着我国经济的发展，公路交通量不断增大，公路荷载不断提升，加之设计不当或施工质量差等原因，导致部分早期建设的已运营公路桥梁在未达到设计使用年限时就出现了影响结构安全的病害，如：连续结构正弯矩区腹板竖向裂缝、底板横向裂缝等。针对上述情况，目前常见的加固法有：粘贴碳纤维加固法、粘贴钢板加固法、增大截面加固法、体外预应力加固法、各种加固组合方法。

1 工程概况

某特大桥上部结构为25 m跨径先简支后连续预应力混凝土小箱梁，桥宽14 m，由4片预制小箱梁构成，箱梁中心距3.5 m，横桥向通过湿接缝连接，其横断面如图1所示；下部结构为柱式墩、肋板台，钻孔灌注桩基础。设计荷载：汽车-超20级、挂车-120。

图1 典型横断面（单位：cm）

桥梁运营20余年，存在以下病害：主梁在L/4至3L/4梁跨之间底板及腹板范围存在横竖向裂缝，多数梁体裂缝主要形态为“一字型、L型及U型”，如图2、图3所示，其中底板横向裂缝最宽0.64 mm；腹板竖向裂缝最宽0.36 mm；腹板斜向裂缝最宽0.86 mm；部分箱梁存在左右对称的竖向裂缝，个别竖向裂缝与底板横向裂缝贯通形成U形裂缝，且裂缝在持续扩展，这将直接影响整座桥梁的承载能力及使用寿命。另外，底板纵向裂缝最宽0.63 mm；腹板纵向裂缝最宽1.07 mm；湿接缝裂缝最宽0.41 mm；横隔板裂缝最宽0.83 mm。

图2 无跨中横隔梁

图3 箱梁U型裂缝

1.1 病害原因分析

因多数梁体裂缝主要形态为“一字型、L型及U型”，表明主梁在长期活荷载作用下，正常使用极限状态的抗弯承载能力不足，其原因主要如下：

a）该高速公路桥梁投入运营以来，公路交通流量大幅增长，且早期超载超限车辆较多，而该桥设计标准低，导致混凝土内部微裂缝开展，进而形成主梁底板横向裂缝和腹板竖向裂缝。

b）该桥梁主梁间距较大，且未设置跨中横隔板，横向刚度较小，在活载作用下，主梁之间缺乏高效的横向传力构件，荷载作用下主梁所承担的荷载大于理论计算值，主梁之间存在明显的相对位移和扭转，也是箱梁出现腹板竖向裂缝、纵向湿接缝和横隔板出现裂缝的主要原因之一。

c）桥梁运营期间由于超载对结构的损害随箱梁混凝土老化和预应力度降低逐步凸显，也是造成本桥病害加速发展的主要原因之一。

1.2 加固方案确定

a）针对该桥横向刚度不足，整体性较差的缺陷，加固方案中采用在跨中增设钢桁架横隔板，以提高桥梁的横向刚度，改善活载的横向分布。

b）针对主梁抗弯承载能力不足的状况，加固方案中采用了对小箱梁增设体外预应力钢束，补足主梁的预应力度，以提高主梁的抗弯承载能力。

c）为了进一步提高主梁的抗弯刚度，加固方案中针对宽度大于0.2 mm的裂缝进行注胶黏结，裂缝数量较多的桥跨，粘贴钢板对裂缝进行有效限制。

同时，对混凝土剥落、露筋、腐蚀等部位进行修补，减小环境变化对主梁结构的进一步影响，提高主梁的耐久性。

图4 加固后效果图

2 加固方法效果分析[1]

为了确定该方案的加固效果，选取6×25 m典型联跨作为试验跨进行加固前后的荷载试验，通过对主梁应力、挠度和基频等参数试验对比，分析该加固方法对该类型桥梁的加固效果。

2.1 应力测试结果分析

本文选取了次边跨正弯矩偏载工况L/2断面的应力进行比对分析，如图5所示。

图5 加固前/后次边跨最大正弯矩偏载程序作用下L/2断面偏载侧梁应力分布图（单位：MPa）

a）表明虽然加固后试验跨在设计荷载作用下主梁控制截面的应变增量比加固前有显著的下降，但仍超设计值，主梁现有的抗弯强度仍不满足原桥梁未损伤状态下的受力性能。

b）表明采用该方法加固后试验跨主梁中性轴位置比加固前有了明显改善，中性轴位置明显下降，与截面理论计算位置更接近。

2.2 挠度测试结果分析

本文选取边跨和次边跨加固前/后最大正弯矩偏载工况下主梁纵向挠度（如图6、图7所示）及加固前/后边跨最大正弯矩偏载工况下桥梁横向挠度进行比对分析（如图8、图9所示）。

图6 加固前/后边跨最大正弯矩偏载程序荷载作用下桥梁纵向挠度曲线图

图7 加固前/后次边跨最大正弯矩偏载程序荷载作用下桥梁纵向挠度曲线图

图8 加固前/后边跨最大正弯矩偏载程序加载1作用下L/2断面横向挠度曲线图

图9 加固前/后边跨最大正弯矩偏载程序加载3作用下L/2断面横向挠度曲线图

a）虽然加固后试验跨在设计荷载作用下主梁控制截面的挠度值比加固前有较显著下降，但实测挠度大于设计值，主梁现有的抗弯刚度仍不满足原桥梁未损伤状态下的设计荷载要求。

b）该桥加固后主梁纵桥向抗弯刚度有较明显提高，纵桥向抗变形能力显著增强。试验跨桥梁纵向挠曲变形规律与理论计算基本相一致，主梁纵向挠度均比加固前有明显降低。

c）表明加固后主梁横向抗弯刚度有较明显提高，试验跨跨中横向挠度的横向分布曲线与理论计算的挠度横向分布曲线规律基本相一致，荷载横向分布系数更趋于合理。

2.3 裂缝宽度测试结果分析

在试验过程中，对加固前/后正弯矩控制断面底板裂缝宽度变化进行了测试，测试结果见表1。

表1 加固前/后正弯矩控制断面底板裂缝测点宽度变化情况表

加固后主梁的实测底板裂缝变化宽度均比加固前有了明显改善，裂缝变化宽度明显变小，表明采用该方法加固后能够在一定程度上有效地抑制试验跨主梁裂缝的开展。

2.4 基频测试结果分析

在试验过程中，对加固前/后桥梁结构的振动基频变化也进行了测试，测试结果见表2。

表2 加固前/后结构整联实测基频结果

表明该桥加固后竖向基频值较加固前增加14.3%，起到了一定的效果，但仍小于理论计算值，未恢复到原有设计状态。这主要是由于主梁跨中附近截面开裂，造成结构刚度显著降低，结构自振频率比理论计算结果有较明显降低，加固后结构的裂缝得到了一定抑制。

3 结语

本文针对某桥的典型桥梁病害，选取了体外预应力+钢桁架横隔板+粘贴钢板的综合加固法，并通过加固前/后的荷载比对试验，对其加固效果进行了分析研究，得出如下结论：

a）加固后在设计荷载作用下主梁控制截面的应变增量比加固前有显著的下降；且实测主梁中性轴位置均比加固前有了明显改善，与截面理论计算位置更接近，但主梁现有的抗弯强度仍不满足原桥梁未损伤状态下的设计要求。

b）加固后主梁纵桥向抗弯刚度有较明显提高，纵桥向抗变形能力显著增强，但主梁现有的抗弯刚度仍不满足原桥梁未损伤状态下的设计要求。

c）加固后主梁横向抗弯刚度有较明显提高，荷载横向分布系数趋于合理。

d）加固后主梁的裂缝得到了一定抑制，竖向基频值较加固前增加14.3%，但仍小于理论计算值，未恢复到原有设计状态。

因此，该桥采用体外预应力+钢桁架横隔板+粘贴钢板的综合加固法对损伤桥梁的承载能力虽有一定的改善，但纵向抗弯强度、刚度和裂缝宽度等仍无法满足规范要求，需要对该类型病害桥梁的加固技术进行进一步的研究和探讨，以寻求更有效的加固方法。