加設橫梁法加固鋼筋混凝土連續箱梁方案研究

段繼祖

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

1 工程概況

該高架橋是國道主干線在山西境內的重要組成部分，橋梁全長2 611.6 m，由左右兩幅組成，主要以25 m裝配式預應力混凝土連續箱梁為主，間有15 m、20 m、26 m跨裝配式預應力混凝土連續箱梁，橋面凈寬14.0 m；橋梁下部結構為柱式墩、肋板式臺，基礎為鉆孔灌注樁，橋面鋪裝類型為瀝青混凝土。橋梁設計荷載等級為：汽車-超20級、掛車-120級；地震基本裂度為Ⅶ度。該橋于2001年建成并投入使用。

由于長期受運煤超載車輛影響，導致該橋超負荷運營，造成部分梁體出現不同程度病害，經過對梁體進行專項檢測，本橋技術狀況綜合評定等級為“三類”橋梁，為保證高速公路運營安全，需對該橋進行維修加固處治。

2 橋梁病害情況

通過橋檢，全橋存在病害梁體多達1 344片，其中邊梁656片，中梁688片，右幅的病害較多，邊梁和中梁數量相近。全橋主梁共出現裂縫8 054 m/5 597道，其中底板橫向裂縫1 766 m/1 790道，裂縫最寬0.64 mm；底板縱向裂縫3 401 m/768道，裂縫最寬0.63 mm；腹板豎向裂縫2 419 m/2 804道，裂縫最寬0.86 mm；腹板縱向裂縫467 m/235道，裂縫最寬1.07 mm，底板橫向、腹板豎向裂縫主要分布在梁跨的L/4和3L/4之間，其中U型縫240道分布在155片梁的L/4和3L/4之間。同時，上部混凝土結構出現大面積缺損、露筋、滲水、泛堿。

3 病害原因分析

a）裝配式連續箱梁是20世紀末在國內大面積推廣使用的一種先簡支后連續的橋梁結構形式，該結構形式很好地解決了簡支梁橋橋面容易產生連續裂縫的問題，大幅度提高了行車的舒適性，但這種結構也存在橫向聯系弱、結構整體性較差的缺點。

通過圖1中受力變形分析可以看出，箱梁在承受車輛荷載時，由于缺少跨中橫梁對箱梁變形的有效約束，梁體在受力過程中容易出現相對位移和扭轉，致使各梁的受力和變形缺乏有效協調，各梁之間受力變形形態差異較大，單梁結構計算采用的橫向分布系數小于實際承擔的荷載效應，車輪作用的主梁實際承擔的荷載效應較大。

圖1 箱梁受力空間變形狀態

b）該高架橋2001年正式通車運營，運營數十年來，交通量劇增，超載超限車輛大幅增加，對橋梁的運營狀態產生了嚴重的破壞，致使該橋過早產生病害并持續發展。根據橋梁檢測報告，近幾年來該橋病害發展呈加速發展狀態，橋梁整體狀況總體呈現逐年下降趨勢，混凝土老化疲勞現象和預應力損失程度加劇，已經嚴重影響到橋梁的安全運營。

c）該高架橋設計階段箱梁結構尺寸偏小，鋼筋及預應力管道定位困難，混凝土保護層厚度普遍不夠，且早期施工力量薄弱，造成橋梁質量普遍偏低，也是造成橋梁早期損壞的原因之一。

綜合以上原因分析，由于設計階段存在箱梁結構不合理、箱梁整體剛度較差，造成各梁在承擔車輛荷載時與實際情況不符，出現相對位移和扭轉，造成箱梁腹板早期出現豎向裂縫，底板出現橫向裂縫；另外車輛超載也是造成箱梁病害快速發展的原因之一。

4 結構加固目標

a）本次加固以提高全橋箱梁整體剛度為主要目的，對全橋連續箱梁增設橫梁，將原設計鋪裝層調整為雙鋼混凝土，提高橋梁的整體剛度，改善活載的橫向分布。

b）對于底板橫向裂縫大于等于0.1 mm的普通箱梁，按此聯內所有與此梁相同編號(單幅)的箱梁增設體外預應力鋼束；變寬箱梁按底板橫向裂縫大于等于0.1 mm的梁跨增設體外預應力鋼束，以提高開裂箱梁持久狀況下結構的極限承載力。

c）對細微裂縫進行灌縫封閉，避免環境對主梁結構的進一步影響，提高主梁的耐久性。

在回歸模型Y=g(X)+ε中，當g(X)=E(Y|X)時，有GMC(Y|X)=R2。但R2主要用于回歸分析，GMC則可以用來測度隨機變量間的解釋方差。

d）對混凝土剝落、露筋、腐蝕等部位進行修補，更換損壞老化的橡膠支座，進一步提高橋梁的整體使用性能。

5 加固方案比選

通過對病害產生的原因分析后得知，本橋加固重點在于對橫梁加固方式的選擇上，設計階段提出以下兩個加固方案，方案一是上部結構采取跨中增設1道貫通箱體的鋼橫梁法；方案二是上部結構采取跨中增設1道貫通箱體的鋼筋混凝土橫梁法。

5.1 方案一 上部結構采取跨中增設1道貫通箱體的鋼橫梁法

5.1.1 裂縫處理

對上部結構中裂縫寬度小于0.15 mm的裂縫采用封閉法進行修補，裂縫寬度大于等于0.15 mm的裂縫采用壓力注漿法進行修補。

5.1.2 跨中增設橫梁

對全橋裝配式連續箱梁跨中增設2道貫穿箱體的鋼結構中橫梁。

5.1.3 箱梁底部施加體外預應力

對底板橫向裂縫大于等于0.1 mm的開裂箱梁，每片梁增設兩束15-4體外預應力鋼束；變寬箱梁按底板橫向裂縫大于等于0.1 mm的現澆箱梁，每片梁增設兩束15-8體外預應力鋼束。

5.1.4 橋面鋪裝改造

鑿除原有橋面鋪裝，更換為C50雙鋼混凝土。

5.1.5 橋墩蓋梁裂縫

對橋墩蓋梁中存在裂縫寬度小于0.15 mm的裂縫采用封閉法進行修補，裂縫寬度大于等于0.15 mm的裂縫采用壓漿法進行修補。

5.1.6 上部結構破損、滲水、泛堿等病害處理

清除破損、滲水、泛堿區域混凝土，對鋼筋除銹，采用環氧修補砂漿或環氧混凝土對破損區域進行修補。

5.2 方案二 上部結構采取跨中增設1道貫通箱體的鋼筋混凝土橫梁法

對全橋裝配式連續箱梁跨中增設1道貫穿箱體的混凝土中橫梁（比箱體高18 cm），同時在每道中橫梁底增設兩束15-2的預應力鋼束，其余病害處置同方案一。

5.3 實體橫隔梁橫向結構分析

采用有限元軟件對方案一中的1道鋼橫隔梁和方案二中的1道混凝土橫隔梁分別進行結構分析，兩模型均是求得邊梁跨中點的影響面加載面，計算結果如表1。

表1 邊梁跨中影響面豎向位移 ×10-2mm

圖2 單位力邊梁跨中豎向位移影響面

從以上計算結果可以看出，兩個加固方案在加固效果方面基本相當，其兩者位移影響面豎向位移接近，整體截面剛度有所提高，橫向各梁受力更趨均勻，發揮了橫隔梁作為剛性支撐的作用，結構整體受力性能提高，單梁受力的狀態明顯改善。

5.4 加固方案比選

經過綜合對比，方案一、方案二在加固效果方面基本相當，而方案一在費用、工期和對原有結構的影響方面優于方案二，確定方案一為推薦方案。

6 結語

近年來，隨著公路運營年限的增加，鋼筋混凝土連續箱梁橋的病害也越來越多，科學合理的加固方案，既能節約成本，同時能達到良好的效果。本文是筆者根據橋梁加固的實踐經驗及橋梁加固工程實例，提出的獨特的加固思路，通過對該高架橋加固方案的比選，為今后類似橋梁加固方案設計提供建議，更好及時地為現代交通運輸服務。

表2 加固方案比選表