某变截面连续刚构桥抢修加固设计研究

吴远华

（浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

桥梁主要承重结构的加固补强，其根本目的是恢复和提高其承载能力，改善其使用性能，防止桥梁结构的安全隐患，提高其通行能力。桥梁维修加固前，应按相关规范、标准、规程对其技术状况、适应性进行检查和评定，对加固改造的必要性、可行性进行充分论证。依据桥梁技术状况等级、病害成因、加固目标、施工条件等，综合考虑社会影响及经济、技术指标，确定合理的、可实施的加固方案。本文对某变截面连续刚构桥抢修加固设计进行研究。

1 工程概况

某大桥主桥为（65+120+65）m 预应力混凝土变截面连续刚构桥，小桩号侧引桥上部结构为5×30m 装配式预应力混凝土连续箱梁，大桩号侧为4×30m 装配式预应力混凝土连续箱梁，桥梁全长575.98m，单幅全宽12m。该桥于2012年12月建成通车，设计荷载：公路—I级的1.3倍。

主桥箱梁为单箱单室断面，箱梁顶板宽12m，底板宽6m。墩顶0 号梁段及悬臂根部梁高为9m，中、边跨合拢段及边跨现浇段梁高为3.3m。箱梁0 号块顶板厚度为50cm，其余梁段顶板厚度为30cm。箱梁合拢段底板厚度32cm，悬臂根部底板厚度95cm，0号梁段横隔板间底板厚度为125cm，箱梁墩顶0号梁段范围腹板厚度为80cm，1~8 号梁段腹板厚度为80cm，9、10 号梁段为腹板变厚段，11~14号梁段腹板厚度为50cm。

下部结构主引桥桥墩采用柱式墩，双柱薄壁墩、薄壁空心墩，钻孔灌注桩基础；桥台为桩柱式台、肋板式台，桩基础。桥面铺装采用沥青混凝土桥面铺装，0#台、5#墩、8#墩、12#台处伸缩缝采用D-160 型、D-320 型、D-240型、D-120型，主桥在5#、8#墩支座采用QX4500DX150、QX4500SX150，引桥在第1 联联端采用GYZF4350X76、GYZF4300X65支座，联中采用GYZ450X84支座，2#、3#、10#采用墩梁固结形式。

2 存在的主要病害及原因分析

2.1 存在的主要病害

（1）左幅第7 跨（主桥中跨）跨中第13#、14#节段（小桩号侧）局部存在大面积空洞、破损、露筋等病害。该区域采用环氧材料修补，并粘贴钢板加固处理，但修补材料表观不密实、与原混凝土交界面处填充不饱满，粘贴钢板基底未处理平整，局部模板未拆除，局部敲击空响，胶体厚度不均匀，封边胶破损开口，防腐涂层局部起皮、脱落，钢板或螺栓局部锈蚀。其中L-7-14 节段、L-7-15节段、L-7-14节段、L-8-15节段等4个节段底面均存在敲击空响区域，面积共计21.1m2。

（2）右幅桥第7 跨（主桥中跨）第12#、13#节段箱梁底板存在大面积的空洞、空响、劈裂、破损、露筋区域。该区域采用环氧材料修补，并经粘贴钢板加固处理，修补材料表观不密实、与原混凝土交界面处填充不饱满，粘贴钢板基底未处理平整，局部模板未拆除，局部敲击空响，胶体厚度不均匀，封边胶破损开口，防腐涂层局部起皮、脱落，钢板或螺栓局部锈蚀。其中R-7-10~R-7-14 节段、R-7-15 节段等6 个节段底面均存在敲击空响区域，面积共60.58m2，单处空响面积均大于1m2。

（3）主桥箱内L-7-S1、S2、S3 等3 个节段左腹板靠近下部存在斜向裂缝（局部泛碱、浸死），斜度5°~15°，裂缝长度共计24.3m，缝宽介于0.05~0.20mm之间。

（4）箱内顶板中部有3 个施工节段（节段不连续）存在纵向裂缝，箱内腹板3 个施工节段（节段不连续）局部存在纵向裂缝，裂缝分布无明显规律，长度共计12.9m，最大缝宽0.2mm；箱外4 个施工节段（节段不连续）翼缘板根部局部存在纵向裂缝，长度共计8.2m，裂缝基本浸死、泛白；箱外底板1 个施工节段局部存在纵向裂缝，长度1.8m。

（5）箱内隔板人洞附近局部存在网裂及横向、竖向裂缝，长度共计39.5m，最大缝宽0.2mm。

2.2 病害原因分析

连续刚构桥底板崩裂的主要原因为施工不当，施工过程中发生如下情况综合作用会导致底板混凝土在钢束径向力作用下分层、崩裂。

（1）顶板纵向裂缝，分析为梁段混凝土龄期差、施工温差较大、箱内外温差等造成的混凝土收缩裂缝。此类裂缝主要影响结构耐久性[1]。

（2）引桥小箱梁底板及腹板纵向裂缝，位置及走向与钢束基本一致，分析为波纹管施工定位不准，导致波纹管位置混凝土保护层偏薄，或混凝土龄期不足，在钢绞线施工张拉过程中，局部应力过大而产生纵向裂缝，该裂缝主要影响结构耐久性。

3 加固设计原则、思路及内容

3.1 加固设计原则

（1）通过加固，在彻底修复桥梁缺陷后，使桥梁的各项技术指标满足原设计规范要求；

（2）加固设计方案技术成熟、安全可靠、适用耐久、经济合理，处治措施切实可行[2]；

（3）全面修复桥梁病害，严重病害彻底处治与轻微病害有效抑制相结合；

（4）加固设计方案选择力求方便施工、节约工期、造价合理，除满足施工工艺成熟的要求外，尽量选择易于后期养护、工程费用相对较低的方案。

3.2 加固设计思路

通过对该桥进行基于现状的结构验算，虽然验算结果显示在缺陷状态下桥梁应力及承载能力仍能满足要求，但主桥中跨跨中附近节段的底板崩裂、空洞缺陷已经达到比较严重的程度，对桥梁的长期安全运营存在不利影响，必须对该缺陷进行有针对性的加固处治，主要思路如下：

（1）针对主桥跨中附近节段箱梁底板空洞、空响、崩裂病害，首先采取措施修复缺陷，恢复箱梁刚度及整体性，有效改善该区域的受力状态；

（2）考虑主桥跨中区域箱梁底板缺陷范围较大，局部断面削弱严重，刚度下降，在恢复断面尺寸的基础上，在缺陷区域增设钢筋混凝土横肋，抵抗合拢段底板钢束的径向力，提高箱梁底板局部刚度[3]；

（3）对箱梁存在的纵向裂缝进行灌浆、封闭处理，提高耐久性；

（4）处治桥梁伸缩缝、支座病害，改善桥梁使用功能；

（5）处治桥梁构件其他病害和缺陷，提高结构耐久性。

3.3 加固设计方案

（1）针对第7 跨跨中附近底板存在缺陷的节段，增设两道35cm厚、110cm高、横向贯通的钢筋混凝土横向肋板，新增横肋通过种植钢筋与腹板连接，同时，在横肋对应位置底板（靠近两侧腹板）开槽，设置闭合钢筋兜住底板纵向预应力管道，利用种植钢筋及新老混凝土结合面的抗剪能力来抵抗合拢段底板钢束的径向力，防止混凝土劈裂分层，提高箱梁跨中底板局部刚度[4]。

（2）跨中附近分层崩裂区域在施工过程中采用上、下对拉钢板并灌注环氧类材料的方式进行了加固，通过现场检测，原加固效果差，缺陷区域未灌浆密实，还存在较明显的空响区域，对拉钢板不能完全发挥作用。考虑原加固方式具有一定有效性，待空洞区域灌注密实后对拉钢板仍能起到一定有利作用，本次加固设计保留原对拉钢板，采取以下修复措施：

①凿除底板缺陷区域边缘松散的混凝土及后修补环氧材料，对外露钢绞线及钢筋除锈，采用聚合物砂浆修补平整后，从箱内向下灌注聚合物砂浆填充底板空洞、劈裂区域，灌注过程要求均匀、缓慢，保证密实。采用敲击结合取芯方式检查灌浆密实度，如仍存在局部不密实区域，在该区域钻孔二次注浆。

②现场核查原加固钢板空鼓、灌胶不密实区域，重新按照规范工艺灌注粘钢胶。

4 桥梁结构验算分析

4.1 计算模型

主桥结构模拟采用midas civil 桥梁结构有限元模型进行分析计算，模型如图1所示。

图1 有限元模型

（1）一期恒载：混凝土容重取26kN/m3，主梁、主墩尺寸按实际断面取值，横隔板以集中力计；

（2）二期恒载：包括桥面铺装、护栏等，经计算二期恒载按57.8kN/m计取；

（3）原桥纵向预应力钢束锚下控制应力为1395MPa；

（4）汽车荷载：公路-I级×1.3；

（5）均匀温度作用：整体升温取+25℃，整体降温取-35℃；

（6）不均匀沉降：边墩1.5cm，主墩2.5cm。

4.2 基于桥梁现状的结构验算

根据该桥定期检查报告及专项检测报告，主桥跨中第13#、14#节段（小桩号侧）底板存在大面积空洞区域，局部区域空洞深度达15cm，在此区域范围内预应力钢束与混凝土相互无约束，预应力钢束曲线变缓，导致预应力钢束应力发生一定的变化，因此结构计算对截面尺寸及跨中预应力损失进行合理折减，以评估桥梁目前实际受力状况。在结构计算过程中，断面尺寸及预应力损失按如下考虑：

（1）对主桥跨中第13#、14#节段（小桩号侧）断面底板厚度按折减15cm考虑；

（2）该桥在主跨跨中第13#、14#节段存在空洞，假定在此区域钢束与混凝土无约束，钢束形状由曲线变为直线，钢束长度发生变化，从而导致预应力损失。钢束曲线变化按照3 个节段长度考虑，经计算，钢束长度变化值为8.6mm，跨中预应力损失为8.6%。

桥梁结构物理力学性能计算分析结果见表1~表6。

表1 短期效应组合（考虑折减后）主梁控制截面抗裂分析结果

表2 短期效应组合（考虑折减后）主梁控制截面主拉应力分析结果

表3 标准效应组合（考虑折减后）主梁控制截面压应力分析结果

表4 标准效应组合（考虑折减后）主梁控制截面主压应力分析结果

表5 主梁控制截面（考虑折减后）抗弯承载能力极限状态分析结果

表6 主梁控制截面（考虑折减后）抗剪承载能力极限状态分析结果

通过表1~表6 的计算结果分析，并结合桥梁荷载试验报告和目前实际病害情况，可以得出以下结论：

（1）正常使用极限状态短期效应组合作用下，通过对模型参数的修正，原结构第13#、14#梁段截面折减15cm，跨中预应力损失8.6%后，结构各截面应力均满足规范要求，在相同位置处折减截面应力较原设计截面在短期效应组合作用下，上缘应力减小0.077MPa，下缘应力增加1.91MPa；在标准效应组合下上缘应力减小0.353MPa，下缘应力增加1.798MPa。

（2）承载能力极限状态下，通过对模型参数的修正，原结构第13#、14#梁段截面折减15cm，跨中预应力损失8.6%后，结构承载能力、结构抗剪承载能力均满足规范要求。

5 结束语

采用上述方案对主桥箱梁底板崩裂、分层、空洞等病害进行处治，缺陷区域的刚度有所提升，考虑横肋自重和预应力损失后，在正常使用极限状态下，结构各截面的应力均满足规范要求，中跨跨中下挠4.6cm，考虑该桥设置6cm 的预拱度，对主梁线形无明显影响，在承载能力极限状态下，承载能力也能满足规范要求。