鋼筋混凝土簡支空心板梁橋加固設計

王子強

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 工程概況

威寧大橋位于丹阜高速公路本溪段，建成于1994年。該橋分為上、下行，跨徑布置為24×13.25m，橋梁全長322.2m，屬大橋，該橋位于曲線半徑為900m的左偏圓曲線上。上部結構為鋼筋混凝土帶翼緣簡支空心板，上、下行橫橋向均為9片板。下部結構為鋼筋混凝土單柱式橋墩和鋼筋混凝土3柱框架式橋臺，墩臺基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。橋面凈寬2×10.5m，上、下行外側各設0.50m的防撞墻，內側各設0.75m的防撞墻，橋面鋪裝采用瀝青混凝土，伸縮縫為XF-80型鋼伸縮縫，上、下行均為3道，分別設置在4、12、20號墩頂，支座為板式橡膠支座。原設計荷載等級：汽車-超20級、掛車-120。

2 橋梁病害

上行橋梁：全橋共計20塊板出現斜向裂縫，距板端0.8～2.5m范圍內，分布1～3條斜向裂縫，裂縫長度為0.3～0.5m，裂縫寬度為0.06～0.5mm，個別裂縫寬度已超出規范限值(≤0.3mm)。

下行橋梁：全橋共有39塊板板端出現斜向裂縫：距墩頂0.5～3.5m范圍內，分布1～5條斜向裂縫，裂縫長度為0.1～0.6m，裂縫寬度為0.1～0.2mm，裂縫寬度未超出規范限值(≤0.3mm)。

3 原橋結構計算分析

采用橋梁博士軟件建立該橋鋼筋混凝土簡支空心板桿系模型，進行結構受力分析，共劃分18個單元，19個節點，支點、跨中、截面變化處均設置節點。

依據原設計文件空心板采用C25混凝土，跨中12根直徑28mm二級鋼筋，板端處采用四肢直徑8mm光圓鋼筋，距板端1.83m范圍內箍筋間距為10cm，距板端1.83～2.93m范圍內箍筋間距為15cm，距板端2.93m～跨中范圍內箍筋間距為20cm。

圖1 原橋簡支空心板模型

汽車荷載采用現行公路-Ⅰ級荷載，提取跨中正截面彎矩及支點斜截面剪力在承載能力極限狀態基本組合下計算結果(基本組合是永久作用設計值與可變作用設計值的組合)。

表1 原橋空心板承載力計算結果表

由以上計算結果可知原橋空心板跨中正截面彎矩不滿足現行公路-Ⅰ級荷載，支點附近斜截面抗剪承載力不滿足現行公路-Ⅰ級荷載。由于抗剪承載力不足因此部分空心板板端附近出現斜向剪切裂縫。

4 加固設計

4.1 總體加固思路

(1)荷載等級由原汽車-超20級、掛車-120提載至公路-Ⅰ級。

(2)針對空心板跨中正截面抗彎承載力不足，通過體系轉換(對帶翼緣空心板在連續墩頂處增設普通鋼筋進行結構連續)，降低跨中處正彎矩。

(3)針對空心板支點附近斜截面抗剪承載力不足，通過增大截面尺寸(板端腹板加寬)、增加配箍率提高其抗剪承載力。

(4)空心板通過鉸縫傳遞荷載，該橋空心板鉸縫破損嚴重，存在單板受力現象，為了提高結構整體性，鑿除原空心板翼緣及鉸縫，現澆濕接縫，形成剛性連接，并在每孔L/4處增設兩道中橫梁。

4.2 具體加固內容

(1)鑿除原空心板翼緣及鉸縫，現澆為濕接縫處理，每孔空心板均增設2道中橫梁。

圖2 濕接縫、橫隔梁圖(單位:mm)

(2)上、下行0、6、12、18、24號墩臺頂分別設置伸縮縫，對應空心板增設伸縮縫加厚塊。

(3)空心板連續端單側4.1m范圍內及簡支端4.0m范圍內腹板加寬處理。

圖3 腹板加寬圖(單位:mm)

(4)對帶翼緣空心板在連續墩頂處增設普通鋼筋進行結構連續，6孔1聯，上、下行各4聯，共計8聯。

4.3 設計難點、要點

(1)鑿除板端混凝土時需鑿至原支座中心線位置，此時結構支撐不穩，宜出現失穩危險，因此鑿除板端混凝土前需設置臨時支撐，此次設計臨時支撐設置在距原支座中心線15cm處，待完成體系轉換后拆除臨時支撐。

(2)新增橫隔梁施工空間小，混凝土澆注振搗質量難以保證。此次設計時采用“頂板開天窗”的方法，即鑿除空心板頂板對應橫隔梁處0.6m范圍內混凝土，為施工提供操作空間，待橫梁混凝土澆注完成后再恢復填補頂板天窗位置。

(3)邊板翼緣相對單薄，需承擔防撞墻重量，此次設計時通過在邊板板端及四分點翼緣位置設置承托，提高翼緣承載力。

(4)空心板腹板加寬混凝土與原橋結合效果難以保證，此次設計通過在原橋腹板加寬處植入直徑16mm的鋼筋并在新舊混凝土結合處鑿毛處理保證其結合效果。

(5)東北高速公路在冬季時常通過灑除冰鹽防止融雪結冰，但除冰鹽中含有大量氯離子，侵入到混凝土中加速鋼筋銹蝕，該橋邊板鋼筋銹蝕嚴重，個別板大面積混凝土剝落、鋼筋銹脹，此次設計時對該橋邊板泄水管側翼緣、腹板整體涂刷防腐涂裝，進行防腐處理，對于鋼筋銹脹位置通過除銹劑除銹后采用聚合物砂漿修補。

(6)原橋邊板泄水管側翼緣、腹板水蝕嚴重，此次設計時采用在原橋空心板邊板外翼緣設置滴水檐，即用鋁合金條(直角形3.0cm×3.0cm)或耐老化型橡膠條(直角形3.0cm×3.0cm)，采用錨固、粘貼方式設置于外側翼緣板底緣。

4.4 主要加固材料

混凝土：空心板腹板加寬、墩頂現澆段、橫梁、濕接縫、邊板翼緣承托、伸縮縫加厚塊均采用C30混凝土。

普通鋼筋：結構主要受力鋼筋采用HRB400，構造及其它鋼筋采用HPB300，其性能符合國家標準《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》(GB 1499.2-2007)及《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》(GB 1499.1-2008)及(GB 1499.1-2008/XG1-2012)的規定。

植筋膠：本設計所用植筋用的膠粘劑均采用A級膠。植筋用的膠粘劑，必須采用專門配制的改性環氧樹脂膠粘劑，其安全性能指標必須符合以下規定：

膠體劈裂強度：A級膠≥8.5MPa；

膠體抗彎強度：A級膠≥50MPa；

膠體抗壓強度：A級膠≥60MPa；

拉伸抗剪強度標準值：A級膠≥16MPa；

不揮發物含量(固體含量)≥99%。

防腐涂裝：分為底涂涂層和面涂涂層，底涂涂層具有強滲透性，能夠深入混凝土孔隙中，修補混凝土微小缺陷，同時能與混凝土粘結牢固，耐水、耐腐蝕、耐溫變，可長期在水里浸泡不脫落。面涂涂層應具備防腐蝕性，耐鹽、耐堿、耐酸、耐溫、耐水、耐化學藥品，同時應具有優異的機械物理性能。

4.5 加固效果分析

采用橋梁博士軟件建立該橋加固維修后簡支轉連續空心板桿系模型，進行結構受力分析，共劃分118個單元，119個節點，支點、跨中、截面變化處設置節點。

圖4 簡支轉連續空心板模型

腹板加寬采用C30混凝土，加寬處設置直徑10mm箍筋，單側單肢，間距10cm。連續墩頂處采用7根直徑20mm的連續鋼筋。腹板加寬在模型中采用附加截面形式，參與截面受力在混凝土澆注完成后。汽車荷載取公路-Ⅰ級荷載，支座不均勻沉降按5mm考慮，整體升溫取34℃，整體降溫取23℃，溫度梯度依據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)4.3.12第6條取用。

由表2計算結果可知加固后空心板跨中正截面彎矩滿足現行公路-Ⅰ級荷載，支點附近斜截面抗剪承載力滿足現行公路-Ⅰ級荷載。該加固方案解決了空心板板端附近斜截面抗剪承載力不足情況，能有效限制板端斜裂縫開展，解決了原橋設計荷載等級較低情況，將汽車荷載等級提載至現行公路-Ⅰ級荷載。

表2 空心板加固后承載力計算結果表

5 結論

簡支空心板梁橋早期設計時對于空心板板端斜截面抗剪承載力考慮不足，配箍率(箍筋間距及直徑)、截面最小尺寸不滿足現行規范要求，板端常出現剪切斜裂縫，若不及時加固處理裂縫開展較快，易出現脆性破壞，威脅行車安全。

以丹阜高速威寧大橋加固工程為背景，簡要對加固設計過程進行介紹，通過板端腹板加寬、體系轉換(簡支轉連續)等加固手段，將原橋由設計荷載汽車-超20級、掛車-120提載至公路-Ⅰ級，解決了原橋空心板支點附近斜截面抗剪承載力不足現狀，可為同類工程提供參考。