某市政橋梁加固方案設計

武東超，方圓 （安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 工程背景

1.1 橋梁簡介

某市政橋梁主橋跨徑布置為45m+70m+45m，采用分離式雙幅橋面，左、右幅橋面寬均為18m，橋面全寬為38m，雙向8車道；設計荷載等級為汽車-超20級，掛車-120。橋梁上部結構采用三向預體系應力變截面連續箱梁，采用懸臂現澆法施工；主梁采用單箱單室截面，頂板寬18.0m，底板寬9.5m；主梁標準梁高為2.0m，中支點處梁高為4.0m，梁底下緣采用圓曲線變化；箱梁腹板標準厚度為0.5m，支點處腹板厚度為0.7m。在主橋全長范圍內，主梁兩腹板均采用Φ32的高強精軋螺紋鋼筋設置了豎向預應力，主梁僅在中支點兩側各14m范圍內設置了腹板下彎束，中跨最外側腹板下彎束距跨中21m。該橋在1999年9月完成施工圖設計，于2001年6月建成通車。

1.2 橋梁病害

根據2018年橋梁定期檢測報告及現場調查，主橋中跨箱梁腹板外側出現斜裂縫，腹板斜裂縫分布均位于跨中至腹板下彎束范圍內，具體為：距跨中6～12m范圍，左幅中跨右側腹板出現4條斜向裂縫，最大裂縫寬度為0.18mm；距跨中5～15m范圍，右幅中跨右側腹板出現9條斜向裂縫，最大裂縫寬度為0.30mm；距跨中8m處，右幅中跨左側腹板出現1條斜向裂縫，最大裂縫寬度為0.20mm。

圖1 橋梁橫斷面圖（cm）

圖2 箱梁腹板下彎束布置圖（cm）

圖3 腹板斜裂縫實景圖

根據橋梁檢測報告，評定本橋技術狀況等級為D級（不合格）。由于箱梁腹板開裂后，將影響結構耐久性，降低腹板抗剪承載能力；因此，急需對本橋進行加固維修處理。

2 結構檢算

為了解橋梁使用狀況，更準確地分析病害原因，采用有限元軟件Midas Civil按原設計建立主橋單梁有限元模型，對橋梁結構進行檢算，為制定加固方案提供依據。計算模型采用空間梁單元模擬主梁，全橋共計54個單元，通過約束節點自由度模擬主梁邊界條件。

圖4 主橋有限元模型

主橋箱梁采用三向預應力體系，按照A類部分預應力構件進行檢算。分別按照原設計汽車荷載標準（汽車-超20、掛-120）及現行規范規定的汽車荷載標準（城市-A級），對中跨主梁關鍵截面的正截面抗彎承載力及斜截面抗剪承載力進行檢算。

中跨關鍵截面抗彎承載力檢算表（kN·m） 表1

中跨關鍵截面斜截面抗剪承載力檢算表（kN） 表2

計算結果表明，中跨主梁關鍵截面的正截面抗彎承載力及斜截面抗剪承載力均滿足原設計規范及現行規范要求。

3 原因分析

箱梁腹板出現斜裂縫是由主拉應力超出混凝土抗拉強度引起的，箱梁縱向預應力及豎向預應力均直接影響腹板斜截面抗裂。主梁腹板豎向預應力鋼筋較短，張拉錨固后鋼筋回縮將抵消近一半的張拉伸長量，考慮后期收縮徐變等影響，腹板豎向鋼束有效預應力將損失殆盡。根據老橋施工圖設計文件，主橋70m中跨箱梁采用內置勁性鋼骨架合攏施工；結合國內預應力混凝土連續梁橋工程實踐，該工藝會造成預應力損失比理論計算值大。

圖5 距跨中11.5m處截面

為進一步分析病害原因，將中跨跨中箱梁底板鋼束預應力損失分別取理論計算值的1.1、1.15及1.2倍，考慮腹板豎向預應力損失50%、80%及100%，選取兩處腹板開裂的截面（距跨中11.5m及15m），對其腹板進行定量抗裂性分析。

由上述計算結果，底板束預應力損失對主拉應力影響約為3.6%，豎向預應力損失影響約為46.7%，可見腹板豎向預應力損失對主拉應力影響更為顯著。當豎向預應力損失至100%時，截面主拉應力為2.909MPa＞ftk=2.65MPa；綜合考慮溫度、箱梁空間畸變效應及車輛偏載等作用影響，將導致腹板混凝土開裂。

圖6 距跨中15m處截面

加固方案對比表格 表3

主橋跨中合攏段采用的內置勁性鋼骨架對跨中梁段起到加勁作用，增大了主梁抗彎剛度，使得跨中梁段不易撓曲，導致變形向中支點方向轉移。在中支點附近梁段，主梁設置了腹板下彎束，對主梁抗剪承載力及抗裂起到很大有利作用。而在跨中至腹板下彎束間梁段，主梁內力及變形均相對較大，由于沒有設置腹板下彎束，但主梁腹板豎向預應力損失很大，綜合其他不利因素，將導致跨中至腹板下彎束梁段產生腹板斜裂縫。根據檢測報告及現場調查，主梁腹板斜裂縫均位于跨中至腹板下彎束間梁段，與上述分析基本一致。

4 加固方案設計

4.1 加固方案

箱梁腹板開裂后，將影響結構耐久性，降低腹板抗剪承載能力，需對老橋腹板進行加固處理。在制定加固方案時，綜合考慮安全性、經濟性、工期及施工可操作性等因素，選擇不同的加固方案進行比較，使加固方案切實、合理、可行。

考慮現狀主梁無明顯撓曲，綜合比選后，采用粘貼豎向鋼板對箱梁進行加固。

為減少鋼板不均勻應力、防止鋼板條間混凝土產生裂縫，充分發揮鋼板強度，采用小間距密集布置加固鋼板，并選擇寬厚比大、厚度相對較薄的鋼板。豎向鋼板條寬為25cm、厚6mm，縱向中心間距為45cm；縱向鋼板壓條寬為18cm、厚6mm。為防止腹板斜裂縫向底板延伸，在兩腹板下緣對應位置的底板外側分別設置一道縱向鋼板條進行加強，鋼板條寬25cm、厚6mm。

圖7 鋼板加固布置斷面（mm）

同時，在鋼板壓條與豎向鋼板交叉位置采用錨栓群連接，在壓條端部設置附加錨栓群，使豎向鋼板與縱向鋼板壓條形成有效剛架。

4.2 加固驗算

根據《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22-2008），鋼筋混凝土受彎構件加固后，斜截面抗剪承載力按下列公式計算：

式中各參數詳見規范相關條文。為統計計算方便，將上式采用字母進行替代。

鋼板加固后斜截面抗剪承載力 表4

為改善后期可能出現腹板斜裂縫向內力較大且沒有設置腹板下彎束的位置轉移，將腹板粘貼鋼板的加固范圍由開裂位置向中支點方向延伸，加固范圍為中跨距跨中4～21m，加固后箱梁斜截面抗剪承載力計算值均滿足要求。

5 結論

本文通過主梁腹板抗裂定性分析及定量分析，得出腹板產生斜裂縫是由沒有設置腹板下彎束，而豎向預應力損失大引起的；通過綜合分析比選，采用粘貼豎向鋼板的加固方案對主梁進行加固。該加固方案加固效率高、外觀美觀，且施工簡單方便，提高了老橋的耐久性及抗剪承載能力，延長了其運營年限，對該橋而言是一種較為合理的加固方案。本加固方案可以為相似橋梁的加固設計提供了有益參考。