G312國道某大橋加固設計方案

袁曉燕，秦向杰

（東南大學建筑設計研究院有限公司 南京市 210096）

近年來，隨著交通量的增長和使用年限的增加，建成橋梁的病害也逐漸增多。特別是上世紀八十、九十年代建成的橋梁，在使用中出現越來越多的病害。究其原因，存在多方面因素：從設計角度分析，存在結構分析手段不足、對結構特性認知有限，新舊規范體系差異等問題；從施工角度分析，存在施工工藝水平不夠，施工質量欠缺等問題；從使用角度分析，超載嚴重，養護管理不夠及時等問題，上述各種因素都會對橋梁使用壽命形成不利影響。

1 工程概況

某大橋位于G312江蘇境內，橋梁跨越IV級航道京杭運河（通航孔尺寸50×7m）。橋梁全長210m，跨徑布置為（2×20）m+（35+60+35）m+（2×20）m，其中主橋（35+60+35）m跨越京杭運河。橋面全寬30.0m，兩幅橋并列，中間設變形縫。現狀橋面橫向布置為：2.0m（人行道及欄桿）+3.5m（非機動車道）+8.75m（機動車道）+1.5m（中分帶）+8.75m（機動車道）+3.5m（非機動車道）+2.0m（人行道及欄桿）＝30.0m。主橋上部結構為三跨預應力混凝土變截面連續箱梁，引橋為空心板梁橋。

2 主橋橋梁結構設計

主橋單幅橋為單箱雙室直腹板截面，箱梁頂板寬度為15m，底板寬8m，懸臂長3.5m。頂板厚0.30m，底板厚度為0.25m。箱梁梁高1.8～3.2m，兩個邊腹板厚30cm，中腹板厚度20cm。主橋箱梁設置縱向、豎向、橫向三向預應力鋼束，縱向鋼束分為墩頂懸澆頂板束、邊跨底板束及中跨底板束，采用24Φ5碳素鋼絲，縱向鋼束張拉控制應力為1065MPa。

豎向預應力采用冷拉四級圓鋼筋，直徑32mm，控制張拉應力σk＝625MPa，張拉力503kN。豎向預應力在箱梁0#、1#～7#（1′#～7′#）梁段縱向布置間距25～50cm不等，在8#～9#（8′#～9′#）梁段縱向布置間距50～90cm不等，豎向預應力鋼筋橫橋向每腹板布置一根。

橫向預應力采用3Φj15.24鋼絞線，縱橋向布置間距35～60cm，錨下控制張拉應力1125MPa，張拉力530kN。

3 主橋上部原結構驗算主要情況

采用橋梁博士V3.3建模計算。將箱梁縱向作為平面單元進行離散。根據實際施工過程劃分計算階段。計算結構施工、運營階段的位移、內力和應力；按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023-85）規定的荷載組合，驗算梁體在承載力極限狀態下的承載力、正常使用極限狀態下的使用性能是否滿足要求，結構驗算主要結論如下：

（1）箱梁截面抗彎及抗剪承載力滿足規范要求。

（2）箱梁截面抗剪尺寸不滿足規范要求。

在邊跨距梁端19～33m（共長15m）處，中跨距梁端37～56m（共長20m）處，不滿足截面抗剪最小尺寸要求，通過計算，要使截面抗剪尺寸滿足要求，腹板總厚度需1.1m，即每個腹板至少需增厚10cm。

（3）結構驗算截面正拉應力滿足預應力混凝土A類構件設計要求。在荷載組合II下，跨中下緣有最大拉應力0.9MPa＜2.34MPa，滿足A類預應力混凝土構件要求。

（4）結構驗算截面主拉應力不滿足規范要求。在荷載組合I下，有最大主拉應力2.2MPa＞2.08MPa，不滿足規范要求。

本橋在荷載組合II下，有最大主拉應力2.5MPa＞2.34MPa，不滿足規范要求。

主拉應力超限區間位于主跨靠主墩附近約10m長度區間。

4 主橋上部箱梁病害檢測情況

在加固設計階段，對左右幅橋梁均進行檢測，兩幅橋病害情況類似，以右幅橋為例，闡述主要病害及加固方案。

4.1 右幅橋腹板斜裂縫分布

腹板斜裂縫主要分布在中跨四分點位置處的腹板表面。

中跨右側邊腹板內側面（圖2）四分之一點處5m范圍內存在3條斜向裂縫，長度約20～120cm，寬度約0.15mm；四分之三點處7m范圍內存在5條斜向裂縫，長度20～110cm，裂縫最大寬度約0.15mm。

中跨中腹板右側面（圖3）四分之一點處7m范圍內存在4條斜向裂縫，長度約30～160cm，最大寬度約0.15mm；四分之三點處8m范圍內存在6條斜向裂縫，長度30～140cm，裂縫最大寬度約0.15mm。

中跨中腹板左側面（圖4）四分之一點處6m范圍內存在6條斜向裂縫，長度約10～160cm，最大寬度約0.15mm；四分之三點處10m范圍內存在12條斜向裂縫，長度8～160cm，裂縫最大寬度約0.20mm。

中跨左側邊腹板內側面（圖5）四分之一點處存在2條斜向裂縫，長度約70cm，寬度約0.15mm；四分之三點處10m范圍內存在10條斜向裂縫，長度15～160cm，裂縫最大寬度約0.20mm。

4.2 右幅橋底板裂縫

右幅主橋底板箱梁縱向裂縫較多，3跨底板共58條底板縱向縫，裂縫寬度0.1～0.2mm。

（1）右幅大樁號側邊跨底板裂縫

縱向裂縫約15條，長度約1.0～3.9m，最大寬度約為0.2mm。右幅大樁號側邊跨底板裂縫分布見圖6。

（2）右幅中跨底板裂縫分布

中跨大樁號側的半跨存在梁底縱向裂縫，小樁號側半跨未發現縱向裂縫病害。中跨大樁號側約有9條縱向裂縫，長度0.5～2.5m，最大寬度約為0.1mm。右幅中跨箱梁底板縱向裂縫分布如圖7所示。

（3）右幅小樁號側邊跨底板裂縫

約存在34條縱向裂縫，長度0.5～4.0m，最大寬度約為0.2mm。右幅小樁號側邊跨底板裂縫分布見圖8。

4.3 箱梁主要裂縫成因分析

（1）腹板斜向裂縫：橋梁采用的設計規范及設計標準偏低，箱梁腹板厚度尺寸明顯偏薄，箱梁縱向腹板無下彎鋼束，以及車輛超載等作用，使得箱梁腹板抗剪嚴重不足，促使腹板斜裂縫發生，理論計算也驗證了這一結果。

（2）箱梁底板縱向裂縫：引起底板縱向裂縫的原因較多，如底板內橫向受力鋼筋配置不足、波紋管保護層厚度不夠、預應力鋼束錨固位置在預應力的作用下產生底板略呈外斜的縱向裂縫、箱梁底板曲線預應力束對底板混凝土產生向下的徑向荷載作用而引起底板縱向裂縫等。根據現場該大橋底板縱向裂縫特點，分析主要是由于波紋管保護層厚度不夠引起的。

5 維修加固方案

鑒于該橋病害較多，局部構造尺寸不足的情況，如果完全按照新的設計規范要求對其進行維修加固，代價大，收效不一定好。為此，加固的原則是：在現有結構基礎上，采取維修加固措施，提高其抗剪承載能力，增強結構耐久性，維持原有荷載標準不變。

針對大橋的病害狀況，目前常用的加固方法有：體外預應力、加大截面尺寸以及粘貼鋼板或者碳纖維布。加固設計同樣需要考慮結構的安全性、耐久性、經濟性、施工的可行性等。

加大截面尺寸可提高受損截面的強度、剛度，但會加大結構自重，對結構受力不利，更重要的是，補加的截面僅能分擔活載以及其他非恒載作用，加固效果有限。

采用體外預應力加固，可使結構受力有所改善，但是施加體外預應力使得正截面壓應力進一步增加，且該橋截面尺寸偏小，體外預應力加固效率相對較低，另外，加固施工難度較大，且加固風險大、費用較高。

在箱梁內部（或外部）粘貼鋼板或者碳纖維布，能有效改善結構受力，對主梁現有受力狀態影響較小，施工難度相對較小，且便于操作，不中斷交通，加固后，梁體外觀較好，且加固費用相對較低。

5.1 腹板斜裂縫加固方案

針對本橋計算結果及實際病害狀況，若只增大腹板截面尺寸，不粘貼鋼板或拉體外束，則只能滿足截面尺寸要求，無法進一步提高箱梁截面抗剪承載能力；若僅腹板粘貼鋼板或全橋拉體外束，不增加腹板厚度，則無法滿足箱梁截面抗剪尺寸，且對結構的耐久性不利。本次加固綜合以上三種常用加固方法，采用組合加固法，針對主橋腹板斜裂縫共提出兩個加固方案：

方案一：采用增大混凝土截面及粘貼鋼板組合方案，在靠主墩縱橋向邊跨側18m、中跨21.75m長度范圍內增大腹板厚度，每腹板截面左右側各增厚10cm，植筋錨固，超高韌性PVA纖維增強水泥基復合材料（ECC）澆注。同時在腹板截面加厚位置處粘貼鋼板，鋼板厚6mm，每片鋼板寬12cm，鋼板間垂直距離邊跨40cm、中跨15cm。鋼板在腹板內外側分別通過錨栓錨固于現有混凝土中，鋼板錨固結束后利用粘鋼植筋掛一層表面鋼筋網，然后澆注10cmC50超高韌性PVA纖維增強水泥基復合材料（ECC）。

此方案對結構受力影響較小，截面厚度增加，增加截面抗剪面積，同時粘貼的鋼板可以進一步提高箱梁的抗剪承載能力。

方案二：采用增大混凝土截面及體外預應力加固，混凝土截面增大方案同方案一，體外預應力束半幅橋共張拉8束，邊跨分兩個斷面錨固，以減小箱梁局部過大應力，鋼絞線采用17Φs15.2環氧噴涂無粘結鋼絞線。

從已有工程實踐，方案一實施效果較好，方案二體外束加固有一定風險，且后期體外束會存在應力松弛損失。

綜合各方面考慮，推薦采用增大混凝土截面及粘貼鋼板組合方案。

5.2 底板縱向裂縫加固方案

根據分析，底板裂縫主要由于波紋管保護層厚度不夠引起的。對于寬度小于0.15mm的裂縫，用裂縫封閉進行處理；對于寬度大于或等于0.15mm，進行灌縫處理，以保證在正常使用狀況下混凝土內鋼筋不致銹蝕，恢復截面整體剛度，保證混凝土結構的耐久性。

6 結語

從上世紀90年代一座典型的變截面連續梁橋設計開始，通過對其進行結構驗算，發現結構中存在的不足，并結合現場調查出現的橋梁病害，分析病害產生的原因，提出加固改造的方法，為類似工程提供借鑒。