拼宽桥既有桥梁承载能力验算及加固设计

姚 云

(苏交科集团股份有限公司 南京市 210000)

1 工程概况

某旧桥上部结构为预应力小箱梁，先简支后连续结构，跨径3×25m，斜交角度45°；下部结构为肋板式台和柱式墩，基础采用钻孔式灌注桩。拼宽采用双侧拼宽，“上连下不连”方案。旧桥单幅桥面宽13.5m，断面布置4片梁，现上部结构采用小箱梁拼宽6.78m，拼宽后单幅桥面宽20.28m。旧桥上部结构拼宽方案为：将旧桥小箱梁部分翼缘切除后，通过湿接缝与新建小箱梁翼缘刚性连接；横隔板处通过向原桥植筋，同时在新老桥之间现浇横隔板刚性连接。下部结构拼宽采用桩柱式桥墩和肋板台，与原下部结构分离。拼宽后结构桥墩处断面见图1。

图1 拼宽后结构标准断面(单位：cm)

2 设计标准

根据《高速公路改扩建设计细则》[1]相关条例，拼宽桥涵的新建部分与既有桥涵结构连接时，应进行整体验算和评价。既有桥涵极限承载能力应满足或采取加固措施后满足现行标准的要求；正常使用极限状态应满足原设计标准的要求。因此拼接利用的旧桥：承载能力极限状态满足公路-Ⅰ级，正常使用极限状态满足汽车-超20级、挂车-120。

3 旧桥上下部结构承载能力验算

3.1 结构分析计算

(1)计算模型按单梁进行计算。

(2)跨中横向分布系数采用刚接板梁法，并考虑连续梁对抗弯刚度的修正；支点位置横向分布系数按杠杆法计算[2]。

(3)充分考虑简支变连续的施工方法对结构受力的影响，施工阶段按实际情况划分。

(4)二期恒载中，护栏按影响线加载，现浇层及铺装荷载按面积分配。

(5)活载按公路-I级荷载施加，冲击系数按规范考虑。

3.2 旧桥小箱梁拼宽前后横向分布系数分析

拼宽后，新增的结构与原结构协同受力，对原结构有卸载的作用，汽车荷载作用下旧桥受力会有不同程度的降低，可通过拼宽前后横向分布系数[2]的变化来体现。拼宽前、后旧桥小箱梁的跨中横向分布系数如表1所示。

表1 旧桥小箱梁跨中横向分布系数

由计算结果可知，拼宽桥对旧桥有较明显的卸载作用，拼宽后旧桥小箱梁横向分布系数有不同程度的降低，越靠近拼宽连接处，横向分布系数下降越明显。

3.3 考虑桥梁现状对承载能力评定的影响

由于原小箱梁已运营多年，可能存在一定的病害和老化，因此对其进行承载能力计算时需要考虑这部分因素的影响。

根据现行《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)，对旧桥的承载能力的评估可采用标度法进行。配筋混凝土桥梁在计算承载能力极限状况的抗力效应时，应根据桥梁试验检测结果，采用引入检算系数Z1、承载能力恶化系数ξe、截面折减系数ξc和ξs的方法进行修正计算，具体公式如下：

γ0S≤R(fd,ξcαdc,ξsαds)Z1(1-ξe)

式中：γ0为结构重要性系数；S为荷载效应函数；R(·)为抗力效应函数；fd为材料强度设计值；αdc为构件混凝土几何参数值；αds为构件钢筋几何参数值；Z1为承载能力检算系数；ξc为配筋混凝土结构的截面折减系数；ξs为钢筋的截面折减系数；ξe为承载能力恶化系数。

式中各值的具体计算方法详见《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)。

根据桥检报告，结合表观检查结果和无损检测结果对小箱梁进行计算评定，得到小箱梁的结构抗力效应的修正系数，结果如表2所示。

表2 既有桥梁小箱梁承载力修正系数

由计算结果可见，原小箱梁承载能力综合修正系数为1.01，计算时偏安全考虑均取为1.0。

3.4 旧桥小箱梁计算结果

旧桥小箱梁和新建小箱梁截面与普通钢筋配筋大体一致，旧桥小箱梁抗剪承载力可以得到保证，而旧桥小箱梁的预应力配置相对较弱，旧桥小箱梁的钢束总配置为：中跨22束、边跨28束、负弯矩区23束，每束都是直径为15.2mm的钢绞线。旧桥小箱梁承载能力验算结果汇总如表3所示，计算时根据原桥情况考虑了5cm的调平层参与设计。

表3 旧桥小箱梁承载能力验算结果汇总

由计算结果可知,旧桥小箱梁跨中抗弯承载力不足，而支点抗弯承载力和抗剪承载力均满足规范要求。因此需要针对旧桥小箱梁的跨中部分抗弯承载力进行加固。

3.5 旧桥下部结构计算结果

旧桥的下部结构包括桥墩盖梁、桥台盖梁、墩柱和桩基。其中1#、2#桥墩采用双柱构造，柱间距10m，受力较为不利，对其进行结构验算。经计算，下部结构的承载力及桩基的承载力均满足规范要求，计算结果如表4、表5、表6所示。

表4 旧桥桥墩盖梁计算结果

表5 旧桥桥墩墩柱计算结果

表6 旧桥桩基计算结果

4 加固改造设计方案

加固改造设计主要针对旧桥小箱梁跨中截面抗弯承载能力不足进行补强。常规的加固方法包括加铺桥面现浇层、梁底粘贴钢板、梁底粘贴碳纤维布和设置体外预应力等。综合考虑原桥实际情况、加固方案对承载力的提高效果、对原桥的损坏和扰动，以及耐久性，最终采用底板粘贴钢板[3]的加固方案。

根据计算结果，旧桥小箱梁不同的边、中梁位置，以及边跨、中跨不同位置的跨中抗弯承载能力欠缺程度不同，因此采用不同的加固措施：对于承载能力已经满足现行规范要求的，不再进行加固；对于承载能力欠缺较小(≤10%)，采用底板横向粘贴2块钢板进行加固；对于承载能力欠缺较多(>10%)，采用底板横向粘贴3块钢板进行加固。加固的钢板型号全部统一，采用Q345C钢板，钢板厚度取5mm，每块宽度25cm，粘贴加固范围为跨中16m长度范围，Q345C钢板的化学成分、机械性能等应符合《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591—2018)的规定，钢材必须具有国家技术质量监督部门确认的产品质量证明、出厂合格证明。加固设计后旧桥小箱梁的计算结果如表7所示，均满足承载力要求。

表7 加固后旧桥小箱梁计算结果

5 桥梁拼宽对桥梁拓宽的积极影响

(1)利用老桥进行拼宽可节约拆除费用，只增加了加固的费用，加固费用相对于拆除重建桥梁的建设成本明显降低。

(2)拆除老桥会对环境有较大的影响，拆除过程中会产生较多灰尘影响空气质量，也会产生较大的噪音，造成噪音污染。而利用老桥拼宽则可以避免对环境的影响。

(3)需要拓宽的桥梁交通量通常都较大，桥梁拼宽基本不会影响到交通，而对桥梁拆除重建将会中断交通或严重影响交通。

6 结语

为了节约建设成本、保护环境、不影响交通，桥梁拼宽成为拓宽公路桥梁中的首选方案，而对旧桥进行承载能力验算及加固设计成为其中最关键的环节，只有做好这个关键环节才能保证既有结构安全可靠。