小箱梁抗剪及抗弯加固措施及效果分析

陈敏

摘  要：改扩建工程往往面临着既有桥梁的加固，以浙江某高速改扩建项目为案例，首先分析了抗弯承载能力、抗剪承载能力、局部承压承载能力不足的原因，然后结合各自承载能力基本原理，并结合规范要求，分析了加固常用方法，并对每种加固方法的原理进行了介绍，最后结合项目实际特点，介绍了所采用的方法以及加固的效果。结果表明，采用合适的加固方法可以有效解决城市高速公路桥梁的结构问题，确保了其长期安全运营。这一研究为城市基础设施的可持续发展提供了有力支持。

关键词：小箱梁  抗弯承载能力  抗剪承载能力  桥梁工程   加固原理

中图分类号：X913.4;U448.23

Analysis of Shear and Flexural Strengthening Measures and Their Effects for Small Box Girders

CHEN Min

（Wuhan Optics Valley Construction Investment Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430070 China）

Abstract： Renovation and expansion projects often face the reinforcement of existing bridges. Taking a high-speed renovation and expansion project in Zhejiang as a case， this paper first analyzes the reasons for the insufficient bending bearing capacity， shear bearing capacity and local loading and bearing capacity. Then， based on the basic principles of their respective bearing capacity and the requirements of specifications， it analyzes common reinforcement methods and introduces the principles of each reinforcement method. Finally， combined with the actual characteristics of the project， it introduces the used methods and reinforcement effects. The results indicate that adopting appropriate reinforcement methods can effectively solve the structural problems of urban highway bridges and ensure their long-term safe operation. This study provides strong support for the sustainable development of urban infrastructure.

Key Words： Small box girder; Flexural bearing capacity; Shear bearing capacity; Bridge engineering; Reinforcement principle

近年来城市汽车保有量逐步提升，且随着电动化的发展，未来一段时间内城市汽车数量将会迎来快速发展期。同时初期建造的道路一般车道数较少，难以匹配高速增长的交通量，部分城市拥堵现象日益恶化。因此需要对现有道路进行改扩建，拓展车道，缓解拥堵，提高道路服务水平。

我国改革开放初期大量建造的市政桥梁随着服役时间的增加，逐渐出现病害，如混凝土碳化、裂缝、钢筋锈蚀等[1]。在改扩建时需要对承载能力不足的桥梁进行加固，以保证其能正常服役[2]。同时对于部分状态较好的桥梁，因为其设计虽是依据当时规范设计，但改扩建细则提出——对于扩建桥梁，其承载能力极限状态应满足新规范要求，故仍需要对其进行加固。

1  工程概况

某城市二环线全线34.5 km，整体采用高架桥方案，于2002年建成通车，运行20年后逐渐出现拥堵情况，对于部分上下高架路段拥堵现象更加明显，因此经过评议后，对部分路段进行扩建，整体扩建方案为单侧拼宽2个车道。

拼宽路段某桩号范围内桥梁上构为小箱梁，跨径为30 m，桥墩采用双柱墩，依据《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-1993）进行设计。运营多年后小箱梁的病害逐渐增多，对其进行承载能力验算结果表明，其抗弯承载能力安全系数为0.85，抗剪承载能力安全系数为0.79，不满足规范要求。本次扩建需要对小箱梁边梁及中梁进行抗弯和抗剪加固。

2  箱梁抗弯加固

2.1  抗弯承载能力不足的主要原因

2.1.1 老化和环境影响

随着时间的推移，混凝土结构可能会受到老化的影响，混凝土的强度可能会降低。此外，环境因素如潮湿、腐蚀、盐析等也可能影响混凝土的性能，从而降低结构的抗弯能力[3]。

2.1.2 荷载超载

如果混凝土结构承受了超过其设计荷载能力的荷载，例如频繁的重型车辆通行或临时施工荷载，这就可能导致结构的抗弯能力不足。

2.1.3 施工质量问题

不合格的施工工艺和技术，如混凝土浇筑不均匀、不充分振捣、混凝土质量控制不当等，也可能降低混凝土结构的抗弯性能。

2.2  抗弯承载能力加固原理

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018 ），抗弯承载能力的计算公式如式（1）所示：

由式（1）可知，可以从以下几个方面提高公式右侧数值，也即是提高结构承载能力。一方面，可以增加h0或x，在主筋重心位置不变的情况下，一般采用方法是增加梁的高度，即增加截面法。增加截面高度后承载能力提升较为明显，但由于施工难度大、施工后外形不美观而较少采用。另一方面，也可以增加As，提高钢筋面积，常采用的方法是外包钢板法。对于预应力结构需要注意的问题与外包钢板法一致，需要防止超筋现象的出现[4]。

2.3  抗弯加固方案及效果

对于本项目，桥梁主梁为小箱梁，梁高1.6 m，由于梁高较高，且梁底裂缝分布，综合美观等因素，采用在梁底张贴钢板的方法进行抗弯加固，一方面提高承载能力，另一方面，张贴钢板时，梁底涂抹结构胶，对裂缝具有密封作用，防止内部钢筋进一步锈蚀，提高结构的耐久性。

张贴钢板尺寸为宽10 cm，厚0.8 cm，每个小箱梁张贴3条钢板，张贴范围为整个跨径内梁底全长。经过计算，张贴钢板后结构抗弯承载能力提高至1.2，满足现有规范要求。

3  箱梁抗剪加固

3.1  抗剪承载能力不足的主要原因

3.1.1 不足的横向钢筋

混凝土结构中的横向钢筋（也称为箍筋或横向裂缝钢筋）对于抵抗剪切力至关重要。如果横向钢筋数量不足或者横向钢筋的直径太小，那么在受到剪切荷载时，混凝土可能会发生剪切破坏，抗剪承载能力不足[5]。

3.1.2 横向钢筋的不正确布置

除了数量和直径外，横向钢筋的布置也非常重要。如果横向钢筋的间距过大或者不均匀，或者不按照设计规范正确布置，都可能导致抗剪能力不足。

3.1.3 斜裂缝的存在

混凝土结构中的斜裂缝可能会降低抗剪能力。这些裂缝通常是由于混凝土龄期伸缩、荷载循环或温度变化等因素引起的。斜裂缝可能会导致混凝土失去纵向和横向的一致性，从而降低了抗剪承载能力。

3.2  抗剪承载能力加固原理

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018 ），抗剪承载能力的计算公式如下式：

式（2）边为荷载产生的剪力设计值，公式右边为抗剪承载能力，主要包括混凝土和箍筋提供的承载力，弯起钢筋提供的承载力，以及预应力筋提供的承载力。从式中可以看出，抗剪加固可以从以下几个方面进行。（1）增加h0或b值，即增加截面高度或宽度，由于抗剪设计值一般位于支座处，该处增加截面高度较为困难，一般采用增加宽度的方法进行加固，如将支座附近的小箱梁空腔浇筑成实体。（2）增加ASb，即增加弯起钢筋面积，与抗弯加固不同，抗剪加固不存在超筋概念，因此可以较为大面积地增加弯起钢筋，通常采用的方法是在支座附近张贴斜向钢板。（3）增加fsd，即增加体外预应力，该种方法主要运用于抗弯加固，对于抗剪加固，由于较难配置短束，因此适用性较差[6]。

3.3  抗剪加固方案及效果

对于本项目，由于增加预应力和截面尺寸困难，因此采用张贴钢板的方法增加弯起钢筋面积，提高承载能力。最终采用在小箱梁腹板两侧斜向45゜各张贴4块长120 cm、宽10 cm、厚0.8 cm的钢板进行加固。经过计算，加固后小箱梁抗剪承载能力安全系数提高至1.45，满足现有规范要求。

4  部承压加固

4.1  局部承压承载能力不足的主要原因

桥梁混凝土结构在其寿命周期内可能会面临局部承载能力不足的问题，这种问题可能由以下一些因素引起[5]。

4.1.1 磨损和腐蚀

桥梁混凝土结构常常受到交通、气候和环境的影响，这可能导致表面的磨损和腐蚀。这些因素可以减弱混凝土的强度，尤其是在桥梁的关键部位，如桥墩、桥台和桥梁底部。

4.1.2 裂缝影响

混凝土结构中的裂缝可能会形成或扩展，这些裂缝可以降低结构的承载能力。裂缝可能是由于混凝土的龄期伸缩、荷载循环、温度变化或地震等因素引起的。

4.1.3 腐蚀钢筋

混凝土结构中的钢筋如果暴露在潮湿或腐蚀性环境中，可能会生锈，导致钢筋的膨胀和混凝土的破坏。这会削弱结构的抗拉强度。

针对上述问题，进行针对性的加固以提高局部承载能力，确保结构长期服役安全。常用服役期间混凝土结构承载能力加固方法包括钢板包裹、碳纤维增强以及添加混凝土枕木的方法。

4.2  常用局部承压承载能力加固方法

4.2.1 钢板包裹

钢板包裹是一种常见的混凝土加固方法，适用于混凝土受压区域的增强。这个方法包括将钢板附着在受压混凝土表面，以增加结构的抗压能力。这些钢板可以是平板或角钢，通常通过焊接或螺栓固定在混凝土上。这种加固方法的优点具体叙述如下。

（1）快速施工：相对于其他方法，钢板包裹的施工速度较快，可以迅速修复受压混凝土结构。

（2）提高抗压强度：钢板的强度很高，可以显著提高受压混凝土的承载能力。

（3）适用性广泛：适用于各种混凝土结构，包括梁、柱和墙。

然而，需要注意的是，钢板包裹可能会引入额外的重量和可能的腐蚀问题，因此在设计和施工过程中需要谨慎考虑。

4.2.2 碳纤维增强

碳纤维增强是一种高性能的加固方法，通常使用碳纤维布或碳纤维条来包裹或粘贴在受压混凝土表面，以提高其抗压强度。碳纤维具有轻量、高强度和耐腐蚀等特点，使其成为一种受欢迎的加固材料。碳纤维增强的优点具体叙述如下。

（1）高强度：碳纤维具有出色的拉伸强度，可以显著增加混凝土的抗压能力。

（2）轻质：与传统的钢材相比，碳纤维更轻，不会增加结构的自重。

（3）耐腐蚀：碳纤维不会腐蚀，这意味着它可以用于有腐蚀问题的环境中。

碳纤维增强通常需要专业技术和施工技能，因此需要由经验丰富的专业人员进行施工和设计。

4.3.3混凝土枕木

混凝土枕木是一种将额外的混凝土结构放置在受压混凝土下方的加固方法。这些混凝土枕木或梁的目的是分散受压区域的荷载，减轻原始混凝土的负荷。混凝土枕木的特点具体叙述如下。

（1）分散荷载：通过提供额外的支持和分散荷载，混凝土枕木可以减轻受压混凝土的压力。

（2）增加承载能力：混凝土枕木增加了整体结构的承载能力，可以用于加固受压梁、板或柱。

混凝土枕木的设计和施工需要考虑结构的荷载分布和枕木的尺寸，以确保有效地减轻受压混凝土的负荷。这种方法通常适用于需要在短时间内快速加固的情况。

5  结语

以浙江某高速公路改扩建为案例，结合规范相关规定，介绍了抗弯及抗剪加固的方法及其加固原理，并根据该项目现场实际情况，介绍了其所采用的加固方法及采用该方法的原因，通过本项目的实例，可以看出针对现场实际边界条件，采用合适的加固方法可以得到良好的加固效果。

参考文献

[1]季长征，孙建东，李海文，等.体外预应力加固钢筋混凝土薄腹梁的工程应用[J].工程建设，2023，55（2）：61-65.

[2]黄珍玉.钢筋混凝土结构加固方法分析[J].工程建设，2023，55（1）：43-47.

[3]邓朗妮，杨洲，钟锰军，等.FRP网格-工程用水泥基复合材料加固钢筋混凝土梁挠度[J].复合材料学报，2023，40（9）：5212-5224

[4]刘相.CFRP加固钢筋砼梁正截面粘贴面积2种计算方法比较[J].辽东学院学报（自然科学版），2022，29（4）：286-292.

[5]李硕，赵作周.震损加固后RC柱抗震性能影响因素分析[J].地震工程与工程振动，2022，42（1）：188-199.

[6]陈孟林.桥梁结构加固设计原则及方法分析