既有桥梁结构加固设计及受力验算分析

姚征

（涉县交通运输局公路管理站，河北 涉县 056400）

0 引言

由于桥梁结构长期暴露在野外，经受雨水和河流的侵蚀、气温变化的影响及车辆的反复碾压，在上述各种因素的综合影响下，桥梁结构自身出现不同程度的受损，导致桥梁的使用寿命缩短，因此，有必要采取措施对其进行加固处理[1-2]。本文将结合具体的工程实例，对其进行详细的阐述分析，并采用Midas Civil 2020 有限元分析软件对其加固后的受力状况进行模拟分析。

1 工程概况

某桥2002 年3 月建成通车，目前已运营19 年。桥梁全长122.2m，上部结构采用16.0m 预应力混凝土空心板梁，结构体系为结构简支、桥面连续。桥跨布置为7×16.0m，每跨12 片空心板梁，空心板梁梁高0.75m。全桥桥面宽度为15.0m，桥面横向布置为：0.5m（防撞墙）+14.0m（行车道）+0.5m（防撞墙）。下部结构桥台为重力式U 形桥台，扩大基础；桥墩采用三柱式墩，桩基础采用钻孔灌注桩，桥墩立柱直径1.2m。桥面铺装为10cm 沥青混凝土铺装+8cmC40 整体化现浇层，支座形式为板式橡胶支座，伸缩缝为型钢伸缩缝。设计行车速度为80km/h；桥梁设计荷载为公路汽-20，挂-100。

2 桥梁病害状况及评定

全桥技术状况等级为四类，并且该桥的上部主要承重构件被评为3 类构件，支座被评为4 类构件；下部结构桥台被评为3 类构件；桥面系桥面铺装、伸缩装置、排水系统被评为3类构件。同时，检测报告还指出该桥上部结构6-7#板梁、6-8#板梁梁底出现横向裂缝，且铰缝受损，铰缝对应位置桥面铺装层位置出现纵向裂缝，上述两片板梁已出现单板受力现象。根据桥梁目前运营情况，该桥已封闭第二联半幅交通，该桥长期处于偏载作用下，影响桥梁结构安全。

3 主要病害成因

3.1 板底横向裂缝，单板受力

桥梁6-7#,6-8#两片梁存在大量横向裂缝，且铰缝被破坏，逐渐发展为单板受力，经分析，引起板梁产生横向裂缝、单板受力主要原因可能是：随着交通量日益增长，重车数量增多，在重车荷载长期反复冲击作用下，使得铰缝混凝土逐步开裂松散，横向传力功能减弱甚至部分丧失，铰缝开裂后造成铺装反射裂缝，雨水经桥面铺装下渗后又进一步加速了铰缝的破坏，造成恶性循环，最终形成单板受力。

3.2 桥面铺装裂缝

经分析，桥面铺装产生裂缝的主要原因可能包括以下方面。

（1）纵向裂缝

桥面铺装纵向裂缝、车辙等病害均位于车轮痕迹处，且与桥面板铰缝位置上下对应，经分析，应为桥面板铰缝破坏，形成单板受力后，在桥面铺装层形成的病害反射裂缝。

桥梁支座存在大量脱空现象，导致桥面铺装和铰缝受力增大，在车辆荷载的反复作用下，极易引起桥面铺装开裂。

（2）横向裂缝

横向裂缝主要分布在各墩台中心处，经分析，应为受设计年代设计理念限制，在桥面连续处纵向钢筋配置不足，造成桥面铺装层在重车荷载的作用下开裂。

3.3 桥台台帽竖向裂缝

桥梁0#,7#桥台台帽存在竖向裂缝，位于支座位置处，且为上宽下窄，经分析，台帽产生竖向裂缝的原因可能是：根据现场踏勘情况及施工设计图纸，桥台台帽后浇且钢筋配置较弱，收缩引起的开裂。该桥通行重车较多，在重车冲击作用下，导致桥台台帽裂缝发展。

4 主要维修加固设计

4.1 混凝土裂缝处治

全桥主梁存在的裂缝应进行处治，为抑制其发展，提高结构的耐久性，处治方法如下：

（1）对于宽度＜0.15mm 的裂缝，采用裂缝封闭胶直接封闭修补。

（2）对于宽度≥0.15mm 的裂缝，采用压力灌注裂缝灌注胶进行修补。

（3）加强裂缝的后期观测。若裂缝继续发展，则应采取其他相应措施进行加固。

4.2 上部结构拆除及更换

（1）拆除桥面附属设施；拆除全桥现有桥面板与桥面铺装等构造。

（2）新更换的上部承重结构：原设计采用0.75m 梁高，梁长为16m的预应力钢筋混凝土空心板梁。本次新更换的桥面板采用10 片16m 装配式预应力混凝土矮T形梁，设计梁高为0.9m，梁底宽为0.35m，边梁顶板宽为1.25m，中梁顶板宽度为1.20m，湿接缝宽度为32.2cm。

（3）桥墩盖梁：由于上部承重结构恒载增加，桥梁荷载提升至公路-I 级，盖梁悬臂端抗拉承载能力不足。根据原桥施工设计图纸，在盖梁垫梁间粘贴250×8mm钢板，加固钢板采用Q355B钢板。

4.3 4#墩盖梁右侧挡块开裂

对于4#墩盖梁右侧挡块与主梁边板抵死并开裂的病害，采用拆除并重新浇筑桥梁盖梁挡块的方法进行处治。

新浇筑的盖梁挡块厚度保持原设计不变，同时增强4#墩盖梁右侧挡块的钢筋配筋，以增强挡块的防落梁功能。

4.4 桥台台帽粘贴钢板

对于0#桥台与7#桥台台帽开裂较为严重的部位，首先封闭裂缝，修补破损，然后采用粘贴钢板的方法进行局部补强，限制裂缝发展。钢板均采用Q355B，宽250mm×厚8mm型号跨裂缝粘贴。

4.5 桥梁改造前后恒载变化

桥梁改造后，对单跨上部结构恒载变化进行分析，恒载减少9.86%，即减载41.12t恒载，如表1所示。

表1 加固前后恒载变化 单位：kN

5 加固后结构验算

5.1 更换矮T梁结构验算

采用有限元软件Midas Civil2020 对桥梁换板后的结构进行验算，更换后的桥面板与桥墩呈30°斜交，横向共10 片矮T 梁，验算时采用梁格法建立模型。桥面铺装、栏杆自重采用荷载形式施加，梁格模型离散为248个节点和377个单元，计算模型如图1所示。

图1 桥梁换板后梁格计算模型

对更换矮T梁后的桥梁进行承载能力极限状态和正常使用极限状态结构验算。经计算，桥梁更换矮T梁后桥面板在承载能力极限状态下，空心板梁抗弯、抗剪承载能力满足规范要求；在正常使用极限状态下，空心板拉、压应力满足规范要求。图2、图3 分别为加固后桥梁结构受力的弯矩包络及抗力图、剪力包络及抗力图。

图3 剪力包络及抗力图

5.2 加固后盖梁结构验算

原设计盖梁墩顶处纵向钢筋配筋不足，不满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）对盖梁悬臂端上缘抗拉承载力的要求[3]。本桥加固设计更换桥面板，桥面铺装构造为10cm 防水混凝土+8cm 沥青混凝土，荷载技术标准提高至公路I级。

为保证盖梁悬臂端上缘抗拉承载能力满足现行规范要求，本次设计对盖梁悬臂端顶部进行粘贴钢板加固，验算结果汇总见表2。

表2 盖梁承载能力验算结果

5.3 地基承载能力验算

桥墩基础采用扩大基础，基底承受轴心荷载，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019），采取下式对基底承载能力进行验算[4]：

桥墩顶支反力合计14 547.8kN，下部结构恒载3 884.3kN，基底竖向作用力合计18 432.1kN，基底面积为70.4m2，计算得到基底土层平均压应力为261.8kPa。参考地勘资料，桥梁基底土层为强风化砂砾岩，地基土承载力特征值fa0为300kPa，修正后的地基土承载力特征值fa为378.3kPa，安全系数为1.44。

6 结语

综上，以某预应力混凝土空心板梁桥加固项目为例，综合考虑了“结构安全、经济造价、施工便捷、加固后结构可靠性及耐久性”等因素，在尽量不增加原桥恒载的基础上，通过对16m预应力钢筋混凝土空心板梁进行更换，对桥梁混凝土结构耐久性病害、板底脱空等病害及问题进行处治，提升了桥梁技术状况。最后采用Midas Civil2020 分析了该桥加固后的结构受力情况。受力模拟结果表明，本次桥梁的加固效果较为显著。