钢筋混凝土连续刚构桥主梁加固工程应用

汤舒

（韶关市翔宏公路勘察设计有限公司，广东韶关 512023）

0 引言

随着道路运输事业的不断发展，重型车辆越来越多，混凝土桥梁在运营过程中，由于自身材料的特性以及环境影响、设计问题、施工问题、养护不当等原因，会导致桥梁出现不同程度的变形和损伤，最终导致桥梁承载力不足而发生破坏[1]，甚至导致交通安全事故。因此必须采取有效的处治措施，防止其继续发展。本文重点研究钢筋混凝土刚构桥的主梁加固处理。

1 钢筋混凝土连续刚构桥的特点

在预应力混凝土桥梁未普及之前，普通钢筋混凝土简支梁桥的经济跨径约为20m，当跨径超出此范围时，跨中恒载弯矩和活载弯矩将会迅速增大，从而导致梁的截面尺寸和自重显著增加，材料耗用量大而且不经济。同时，由于较大的安装重量为装配式施工造成较大困难。因此，为降低材料用量指标，宜采用能减少跨中弯矩值的其他体系桥梁，如连续体系梁桥[2]。其中，连续刚构桥是连续梁桥与T 形刚构桥的组合体系，也称墩梁固结的连续梁桥。

虽然超静定结构连续刚构桥有刚度大、变形小和伸缩缝少等优点，但由于钢筋混凝土抗拉强度低，钢筋混凝土桥梁必然会产生裂缝。例如顶板裂缝、底板裂缝、腹板裂缝、横隔板裂缝等[3]，而且裂缝往往是多种因素联合作用的结果，对桥梁的危害程度不一，严重的裂缝将会危及桥梁的安全运行。如何对发生病害的桥梁做出正确的检测、评估及加固，要研究病害发生机理，提出处理对策。本文以韶关市省道S244线书田坑桥为例，分析了钢筋混凝土刚构桥主梁加固的应用情况。

2 韶关市省道S244线书田坑桥基本情况

2.1 工程概况

省道S244线K208+550书田坑桥修建于1995年，为5～16m 连续刚构桥，全长91.4m，宽10.5m，设计荷载为汽车-20 级、挂车-100。本桥地理位置险要，路弯坡险，四面环山，两岸峭壁，谷深达34m，旧桥圆曲线半径为78m，纵坡为7%，横坡为6%，下部构造为柱式排架扩大基础桥墩，块石砌筑U形桥台，上部构造为变截面连续钢架纵梁，扇形横置式桥面板。

2.2 桥梁基本情况

由于该桥梁遭受过车辆撞击，巨大的冲击力将桥梁左侧2m宽长18m范围的桥面板撞毁，现场检测桥梁上部结构存在较严重问题：桥面开裂情况严重，裂缝纵横交错，分布密集，最大缝宽为2.0mm；台背填土下沉，侧墙外鼓，防撞栏错台，桥台顶伸缩缝泥沙堵塞，桥头跳车现象突出。现浇钢筋混凝土主纵梁腹板开裂，存在较多的竖向开裂病害，开裂主要集中梁体受弯薄弱的跨中区域，部分裂缝贯通穿底，大多数裂缝宽度在0.25mm以下，个别裂缝宽度达0.4mm，已超规范限值。开裂是该类桥梁普遍出现的病害，主要原因是普通T梁无预应力，而混凝土抗拉强度极低；靠近桥墩位置，腹板采取了斜倒角加高设计，抗剪抗弯能力增强，无明显裂缝。此外，第2跨、第3跨中央梁底各存在1处横向开裂渗白浆，两侧翼板边缘局部存在破损露筋，严重影响桥梁安全运行。

2.3 桥梁加固方案

本桥桥位极其不利，且主纵梁裂缝较多，计算结果显示桥梁安全储备较低，为提高全桥承载能力安全储备，将原来的双柱桥墩改为三柱桥墩，增设一道主纵梁加固。此外，该桥位于曲线半径仅为78m的圆曲线上，为增强梁结构抗扭性能，在每跨间设置三道横隔板，同时将原旧桥端系梁改造成横隔板形式，横隔板应外伸至梁外侧作为悬臂板挑梁。

桥面板已被撞毁，上部整体结构需要重新浇筑。凿除重建全桥桥面板、桥面铺装及防撞栏，桥面板厚度由原桥28cm 调整为25cm，结构边悬臂长度为2.25m。按常规直线桥桥面板边悬臂厚度宜为45～50cm，采用25cm 厚悬臂板明显偏薄。虽然采用10cm 厚桥面铺装的方法增加桥面板的受力，但由于桥面板与铺装层结合不完全，不宜按全厚计算共同受力的厚度，悬臂挑板厚度按变截面设置，桥面板与梁、横隔板连接处设置倒角，并验算悬臂挑板受力，重新确定桥面板厚度及配筋。桥面铺装由原桥8cm调整为10cm，桥面纵横坡保持不变。

大多数裂缝宽度在0.25mm 以下，个别裂缝宽度达0.4mm，已超规范限值，对原主纵梁的裂缝采用灌浆补强及裂缝封闭处理。

3 钢筋混凝土连续刚构桥主梁加固应用要点

3.1 结构现状分析

3.1.1 主要材料及设计参数

（1）混凝土材料参数（见表1）采用现场实测数值结合工程经验取值。

表1 混凝土材料参数一览表

（2）钢材参数见表2。

表2 钢材参数一览表

3.1.2 设计荷载

（1）永久作用

①一期恒载

一期恒载包括主梁材料重量，混凝土主梁容重考虑含筋量后折算为26kN/m3。

②二期恒载

二期恒载为护栏、泄水管、桥面铺装等。

③收缩徐变

收缩徐变系数按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2015）执行。其中，计算采用年均大气温度假定为20℃，环境年平均相对湿度80%，箱梁混凝土龄期按28d计。

（2）可变作用

①汽车荷载：汽车荷载采用汽-20 级，人群荷载3.5kPa。

②汽车冲击力：按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）取值。

③制动力：按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）取值。

④温度作用中，整体温差根据当地月平均最高气温和最低气温情况，综合考虑后计算取体系升温25℃，体系降温25℃。局部温差根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）的规定，钢筋混凝土桥面铺装对应的箱梁顶板局部升温为25℃→7.5℃→0.0℃，箱梁顶板局部降温为-12.5℃→-3.75℃→0.0℃。

⑤支座沉降：不均匀沉降取5mm，邻墩或隔墩沉降的不利组合将由程序按计算目的，例如断面位置、内力因素或应力类型及应力点位置，以其最不利情况选择。

3.1.3 荷载组合

按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）要求，程序自动进行各种组合。在组合计算中，程序依据断面位置、内力因素或应力类型及应力点位置，按照一定的数学模型并考虑了设计者的干预，采用穷举法，获得最为不利的组合效应。

3.1.4 施工阶段划分

（1）现浇基础及桥墩。

（2）整联现浇上部结构主梁。

（3）现浇桥面板。

（4）桥面铺装及二期恒载。

（5）运营10年。

3.1.5 主要计算结果及结论

加固设计状态下的桥有限元计算模型见图1和图2。采用midas civil 8.0.5软件进行建模、计算，全桥各单元均采用梁单元。

图1 空间模型三维视图

图2 空间模型结构离散图

（1）现状成桥状态及主要单项荷载效应见表3。

表3 荷载效应一览表

（2）承载能力极限状态荷载组合效应值见表4。

表4 承载能力极限状态荷载组合效应值一览表

（3）主梁正截面抗弯验算见表5。

表5 主梁正截面抗弯验算一览表

由表5可知，加固前，主梁跨中、根部截面极限抗弯承载能力均满足要求，但安全储备不高，最小值仅为1.03。加固后，在荷载等级提高至公路-II 级的情况下，主梁跨中、根部截面极限抗弯承载能力均满足要求，且有1.5系数以上安全储备。

（4）主梁抗剪能力验算见表6。

表6 主梁抗剪能力验算一览表

由表6可知，梁腹板抗剪面积满足规范要求。

（5）使用阶段主梁裂缝宽度验算见表7。

表7 使用阶段主梁裂缝宽度验算一览表

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度为0.20mm，主梁截面抗裂验算基本满足要求。

（6）桥面板验算。取每延米桥面板，分别对设计变截面桥面板跨中及悬臂根部截面进行验算，见表8。

表8 桥面板截面验算一览表

由表8可知，桥面跨中、根部截面极限抗弯承载能力均满足要求，且有2.4系数以上安全储备。

3.2 加固效果

该桥梁自2017 年1 月施工完毕至今，通过设置永久变形点监测主梁变形，未发现新的裂缝发展，该连续刚构桥主梁加固方法技术上可行，施工工艺复制程度适当，效果比较理想。通过对桥梁加固案例的分析和监控，对桥梁加固技术的发展具有积极作用[4]。

4 结语

针对我国桥梁工程建设中主梁结构承载能力和裂缝问题，制定高效、可靠的加固措施十分关键。应因地制宜研究桥梁发生问题的原因，并借鉴其他桥梁加固方式，提出相应的解决措施，尽可能减少安全隐患和经济损失。