基于承載能力折減系數的橋梁加固設計及評價

■ 靳曉艷

(阿勒泰公路管理局阿勒泰分局， 阿勒泰 654301)

據統計， 截至2019 年， 我國在役公路橋梁80.53 萬座，在目前世界上已建成的主跨跨徑位于前10 座斜拉橋、懸索橋、拱橋和梁式橋中，我國分別占有7 座、6 座、6 座和5 座；高鐵橋梁累積長度超過1 萬km，超過線路總長的50%。事實上，隨著大量橋梁投入運營，運輸總量明顯上升，重載車輛比重也在激增，導致舊橋病害復雜化、服役能力下降、安全隱患增多，而因監測加固不及時、交通管制不到位等引起橋梁垮塌的事故逐年攀升，因此，采取有效的維修加固措施，恢復橋梁承載能力、消除安全隱患、改善運營服務能力具有十分重要的現實意義。

國內外橋梁檢測、 加固設計和維修施工技術已較為成熟，并已實現研究成果轉化和推廣應用，文獻[1]采用端部植筋和混凝土填充方法加固混凝土空心板梁橋， 研究結果表明該方法可有效提升空心板梁橋的承載能力， 維持板梁結構安全和穩定。 文獻[2]采用梁底張拉預應力碳纖維板加固設計方法， 解決了早期裝配式預應力混凝土組合箱梁構造尺寸普遍偏小、 易出現腹板及底板結構性裂縫等結構強度、剛度問題。文獻[3]引入了典型車輛運動方程和多梁式車-橋耦合關系，構建了梁格法車-橋耦合振動系統，研究表明采用增大截面法加固剛架拱橋可行。

基于現場實測數據和檢測結論的基礎上， 對全橋上下部結構及支座主要病害進行分類， 通過結構受力檢算， 提出一系列與之相對應的維修加固設計綜合方案，為類似橋梁加固設計提供參考和借鑒。

1 項目概況

某橋梁全長155.8 m，上部結構為5×30 m 預應力鋼筋混凝土連續箱梁，主梁為C40 混凝土，橋面寬度12 m，瀝青混凝土鋪裝層厚6 cm。 結構斷面由4 片梁及3 道鉸縫組成，箱梁高140 cm，梁間距300 cm，底板寬100 cm，中梁頂板寬210 cm，邊梁頂板寬255 cm； 跨中截面位置處箱梁頂板厚14 cm，底板厚14 cm，腹板厚14 cm；梁端截面處箱梁頂板厚14 cm，底板厚24 cm，腹板厚24 cm。下部結構為樁柱式墩臺。 1# 臺、6# 臺為滑板支座，其余均為橡膠支座。 預應力鋼絲采用符合YB255-64 標準的冷拔碳素鋼絲。 自建成后尚未進行加固維修。

2 橋梁病害及檢測結果

2.1 主要病害

(1)上部結構

①全橋箱梁底板和腹板共出現4 條斜向裂縫，長度0.5～1.1 m， 寬度0.14～0.41 mm， 最大0.41 mm。②底板和腹板出現縱向裂縫8 條， 部分伴有晶體滲水。 長度2～30 m， 寬度0.10～0.16 mm， 最大0.16 mm。③底板出現橫向裂縫12 條，部分伴有晶體滲水。 長度1～1.5 m，寬度0.24～0.25 mm，最大0.25 mm。 ④全橋箱梁混凝土破損6 處，破損面積0.1～1.6 m2，全橋露筋8 處。 典型病害如圖1～2 所示。

(2)下部結構

全橋蓋梁共4 條豎向裂縫。 最大裂縫寬度0.3 mm。 典型病害如圖3 所示。

(3)支座全橋范圍內共2 塊支座存在老化開裂現象。 典型病害如圖4 所示。

2.2 檢測結果評定

依據評定標準[4]對運營階段公路橋梁技術狀況進行評定，評定分值見表1。

經評分計算，該橋上部結構分值為76.25，技術狀況為3 類；下部結構分值為79.85，技術狀況為3類；橋面系分值為86.99，技術狀況為2 類；總體分值為79.83， 因此該橋橋梁總體技術狀況評定等級為3 類。

圖1 主梁腹板斜向裂縫

圖2 梁底橫向裂縫

圖3 橋墩蓋梁豎向裂縫

圖4 支座老化、開裂

表1 橋梁技術狀況評定

3 結構受力檢算與加固設計方案

3.1 維修加固前結構檢算

3.1.1 原設計結構計算

主要包括主梁控制截面承載能力計算和原設計荷載檢算分析兩部分，主梁縱向結構靜力計算采用橋梁綜合程序MIDAS 進行建模分析， 按B 類預應力構件進行計算。 材料參數取值見表2。

(1)荷載組合

本文采用原設計荷載，恒載：一期恒載包括預制梁材料重量及二期恒載包括防撞護欄和橋面鋪裝；活載：汽-20，掛-100。 由此荷載組合為：組合一：1.2×恒載+1.4×汽-20；組合二：1.2×恒載+1.1×掛-100。

(2)計算結果

①承載能力極限狀態主梁控制截面抗彎驗算

根據有限元模型計算得到不同荷載組合下主梁內力值，全橋彎矩圖如圖5～6 所示；表3 為承載能力極限狀態主梁抗彎驗算結果。②承載能力極限狀態主梁控制截面抗剪驗算根據有限元模型計算得出不同荷載組合下的主梁內力值，全橋剪力圖如圖7～8 所示；表4 為承載能力極限狀態主梁抗剪驗算結果。

表2 材料設計參數表

圖5 組合一彎矩圖

圖6 組合二彎矩圖

表3 承載能力極限狀態主梁抗彎驗算

圖7 組合一剪力圖

表4 承載能力極限狀態主梁抗剪驗算

根據以上驗算結果，原橋結構設計滿足規范要求。

3.1.2 舊橋檢算

根據檢測報告該橋總體技術狀況評定等級為3類。 引入承載能力折減系數(含承載能力檢算系數Z1和承載能力惡化系數ξe)，用以評估結構實際承載力相對設計結構承載力的衰減幅度。 根據規范[5]，配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態的檢算結果，按下式進行計算評定。

表5 折減系數一覽表

(1)承載能力極限狀態主梁控制截面抗彎檢算

表6 承載能力極限狀態主梁抗彎檢算

(2)承載能力極限狀態主梁控制截面抗剪檢算

根據規范[5]，對舊橋進行折減，檢算結果顯示不滿足要求，部分梁體因梁底橫向裂縫而表現出主梁抗彎承載能力不足，支點附近截面局部抗剪承載能力出現不足，需加固處理。

表7 承載能力極限狀態主梁抗剪檢算

3.2 維修加固設計方案

(1)若主梁抗彎承載能力不足時，采用封縫+底板縱向粘貼鋼板法。

預制箱梁底板縱向裂縫可能是由于養生期間內外溫差過大引起底板出現較大拉應力，加上縱向預應力泊松效應容易引起底板產生橫向拉應力，從而產生縱向裂縫。 此外，部分梁體因材料性能退化導致截面抗力降低，在不斷增長的重載交通長期作用下，腹板也會出現斜向裂縫、豎向裂縫，跨中底部出現橫向裂縫。

對經檢算承載能力不足的箱梁，底板裂縫封閉后粘貼鋼板，恢復橋梁主受力結構承載能力，加固設計如圖9 所示。

(2)若主梁抗剪承載能力不足時，采用封縫+腹板斜向粘貼鋼板法。

圖9 主梁底板及腹板封縫+粘貼鋼板加固

當腹板近支點附近截面主拉應力超過混凝土抗拉強度時，就會產生斜向裂縫。 具體措施是對主梁近支點附近出現的斜向裂縫進行封閉，并粘貼斜向鋼板，協助混凝土承擔主拉應力，提高抗剪承載能力。

(3)封閉蓋梁負彎矩處裂縫，對存在超過規范寬度限制裂縫的蓋梁， 在負彎矩區粘貼鋼板加固，如圖10 所示。 蓋梁墩頂對應位置豎向裂縫為負彎矩區主拉應力超過混凝土抗拉強度所致。

(4)一般裂縫處理：當縫寬小于0.15 mm 時，僅進行表面封閉即可；當縫寬大于0.15 mm 時，其對結構內部鋼筋銹蝕影響較大，應先開設V 槽，再封閉V 槽并進行壓力灌漿處理。 對于銹脹裂縫，先鑿除松動開裂的混凝土，對鋼筋表面除銹，再用高性能復合水泥砂漿修補。

3.3 維修加固后的計算

選用Q345 鋼板對主梁進行加固， 提高抗彎承載能力。 加固后承載能力按現行規范[6]規定進行計算，借助有限元模型，考慮活載影響修正系數，分別計算組合一和組合二下主梁內力，以驗算主梁加固效果。 其截面加固計算結果如表8 所示。

圖10 蓋梁粘貼鋼板加固

表8 加固后承載能力計算

從表8 可以看出，主梁加固后承載能力滿足規范要求，且有一定的安全儲備。

4 結論

(1)根據檢測報告該橋梁總體技術狀況評定等級為3 類，借助有限元模型，對維修加固前原設計和舊橋結構受力檢算， 發現舊橋個別主梁抗彎承載能力不足，支點附近局部抗剪承載能力不滿足要求，結構使用性能退化嚴重，存在較大運營安全隱患。

(2) 系統地提出了全橋主要受力結構維修加固設計方案：主梁承載能力不足時，采用底板封縫+粘貼縱向鋼板加固處理；主梁抗剪不足時，采用腹板封縫+粘貼斜向鋼板加固處理； 蓋梁負彎矩處裂縫寬度超過限值時， 采用蓋梁側面及頂面封縫+粘貼鋼板加固處理。

(3)承載能力極限狀態下，加固改造處理后的主梁抗彎承載能力滿足設計規范要求，且安全儲備均達到1.30 以上。