某在役預應力混凝土空心板梁橋提載加固實例分析

■王 華

（福建省閩招工程檢測有限公司，莆田 351139）

近年來，大量的在役簡支空心板梁橋無法滿足改擴建道路的荷載等級要求，同時一些結構性病害發展速度很快， 對橋梁通行安全有一定的威脅。 因此，根據病害類型、特點和橋梁現有承載能力有針對性的研究提高在役橋梁提載的加固技術很有必要。

國內對在役橋梁的維修加固開展了不同的研究，如潘忠岳[1]對某空心板橋梁進行了全面的外觀檢測和靜載試驗，分析病害原因，提出維修加固措施，驗證了該加固方法的可靠性；巴力等[2]通過對比連續剛構橋加固前后的荷載試驗，對橋梁的加固效果作了分析評定；呂聰儒[3]、陳增順等[4]通過荷載試驗對橋梁加固效果進行分析等。

本文以1 座20 m 在役預應力混凝土簡支空心板梁橋將原設計荷載為公路-II 級提載為公路-I 級為例，根據橋梁病害類型、特點和橋梁結構現有承載能力提出對主梁板底粘貼張拉預應力碳板，蓋梁采取植筋和外包混凝土的加固措施，并通過驗算和現場荷載試驗對加固效果進行評價，以期為在役空心板梁橋的提載加固提供技術借鑒。

1 原空心板承載能力驗算

1.1 工程概況

某空心板橋梁全長45.5 m， 上部結構為2×20 m 預應力混凝土空心板梁，橋面寬43.0 m，雙幅布置，斜交角為55°。 設計荷載：公路-Ⅱ級。 橋梁立面、橫斷面見圖1、圖2。

圖1 某空心板橋立面圖

圖2 某空心板橋橫斷面圖

1.2 橋梁病害情況

根據橋梁檢測結果， 橋梁病害主要有：（1）橋面系病害主要為： 鋪裝縱向通長裂縫及混凝土破損，人行道裂縫及混凝土破損，欄桿斷裂，伸縮縫及泄水孔堵塞；（2）上部結構病害主要為：部分主梁存在橫向裂縫、縱向裂縫，露筋麻面；全橋支座均老化、開裂、變形；（3）下部結構病害主要為：橋墩、樁基及系梁偏位，墩柱、蓋梁均被海水侵蝕，橋臺露筋銹蝕，錐坡砌體破損、裂縫。 橋梁病害分布示意圖見圖3。

圖3 橋梁病害分布示意圖

1.3 承載能力驗算

根據JTG D60-2015 《公路橋涵設計通用規范》、JTG/TJ21-2011 《公路橋梁承載能力檢測評定規程》與JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，考慮在役橋梁的損傷狀況，利用橋梁專用有限元分析軟件Midas Civil 對上部結構空心板以及下部結構蓋梁進行公路-I 級設計荷載等級驗算，計算結果見表1。

由表1 可知，原空心板橋在公路-I 級荷載作用下， 空心板正截面抗彎承載能力不滿足規范要求，蓋梁正截面抗彎承載能力不滿足規范要求，其余均滿足規范要求。

2 橋梁加固措施

根據橋梁病害情況以及改擴建道路荷載提級要求，上部結構梁體采用1 700 cm×10 cm×0.14 cm的碳釬維板 （I 級板材， 主要力學性能見表2）與151 cm×10 cm×0.14 cm 碳釬維布壓條進行加固以提高結構的承載能力實現荷載提級要求；下部結構對系梁進行植筋、外包混凝土，蓋梁外包混凝土以提升承載能力；對橋面進行重鋪，更換原混凝土鋪裝為瀝青鋪裝，全橋加固處理措施見表3。主要病害加固措施示意圖見圖4、圖5。

圖4 上部結構主梁碳纖維板加固示意圖

圖5 橋墩、樁基加固示意圖

表2 碳釬維復合材料主要力學性能指標

表3 橋梁加固處置措施

3 加固后橋梁結構性能評價

通過荷載試驗以評價加固后橋梁結構性能，設計荷載按照現行JTG D60-2015 《公路橋涵設計通用規范》中公路-I 級車道荷載計算。

3.1 計算模型

根據設計圖紙， 采用橋梁專用程序Midas/Civil對加固后的上部結構進行空間建模分析。 上部結構采用梁格法計算，主梁采用梁單元模擬，橋面鋪裝采用板單元荷載模擬，考慮其自重作用和傳導荷載。主梁結構材料采用C50。 邊界條件采用自由度模擬，一端固定鉸接，一端可動鉸接。 計算模型見圖6。

圖6 橋梁結構有限元計算模型

3.2 加載工況

設計荷載按照現行JTG D60-2015 《公路橋涵設計通用規范》中公路-I 級車道荷載計算，車道數為4。按車道橫向最不利布置進行內力計算，并通過內力影響線布置荷載工況，使現場加載的荷載效率介于0.95～1.05，即符合橋梁試驗規范的要求。 荷載試驗采用5 部46 t 左右重型三軸卡車進行加載。各工況具體情況見表4。

表4 各工況設計值、試驗理論值和效率系數

3.3 截面和測點布置

3.3.1 應變測試測點布置

在各空心板跨中截面梁底黏貼應變片，各板腹板底部布置2 個，同時右幅右側外邊板腹板側面布置2 個，合計36 個（1 片板底的2 個應變測點數據最終以平均值進行評定）。 加固后應變計黏貼在混凝土面上，避開碳纖維布位置，以測試梁體的實際應變情況。

3.3.2 撓度測試測點布置

在各空心板跨中截面梁底設置千分表，共17個。測試截面位置見圖7，測試截面應變及撓度測點布置見圖8、圖9。

圖7 測試截面布置圖

圖8 測試截面應變測點橫截面布置圖

圖9 測試截面撓度測點橫斷面布置圖

（1）工況1：左幅第2 跨跨中截面最大正彎矩右側偏載車輛平面位置見圖10。

圖10 工況1 車輛平面布置圖

（2）工況2：左幅第2 跨跨中截面最大正彎矩中載，車輛平面位置見圖11。

圖11 工況2 車輛平面布置圖

（3）工況3：左幅第2 跨跨中截面最大正彎矩左側偏載，車輛平面位置見圖12。

圖12 工況3 車輛平面布置圖

3.4 加固后靜力荷載試驗結果分析

各工況下撓度實測值與理論值比較表見表5。各工況下撓度實測值與理論值對比圖見圖13。各工況下應變實測值與理論值比較表見表6。 控制截面實測彈性應變與理論計算應變的對比見圖14。

表6 各工況下應變實測與理論值 （單位：με）

圖13 各工況下撓度實測值與理論值對比

表5 各工況下撓度實測值與理論值比較（單位：mm）

圖14 理論應變與實測應變對比

結合試驗現象、試驗數據可得到如下結論： （1）試驗荷載滿載時，各撓度、應變測點實測撓度值均小于理論計算值，滿足JTGTJ21-01-2015《公路橋梁荷載試驗規程》中規定的正常值范圍，橫橋向應變及撓度變化趨勢與理論計算結果較吻合；卸載后橋梁恢復情況較好；（2）加固后橋梁在靜力荷載作用下處于彈性工作狀態，主梁結構受力狀況得到一定改善，加固后的橋梁可滿足公路-I 級荷載的要求。

3.5 加固后橋梁結構自振特性評價

采用橋梁結構專用有限分析軟件Midas/Civil對本橋進行了動力特性分析，有限元模型見圖15。現場對加固后的橋梁結構采用自然環境激勵法進行自振特性測試，拾振器測點布置見圖16。 橋梁豎向一階模態見圖17。

圖15 一階模態理論振型（頻率5.42 Hz）

圖16 自振特性測試測點布置圖

圖17 一階模態實測振型（f=6.84 Hz）

上述結果表明：加固后橋梁環境振動試驗的實測豎向一階頻率為6.84 Hz，大于理論豎向一階頻率值5.42 Hz，橋梁加固后剛度滿足設計要求。

3.6 下部結構加固驗算

采用橋梁通7.78 對下部結構進行結構驗算，驗算結果見表7。 通過驗算可知，橋墩蓋梁加固后，承載力有明顯的提升，可滿足公路-I 級荷載作用。

表7 蓋梁抗彎承載能力驗算

4 結語

（1）在役簡支空心板梁橋荷載提級承載能力不足時，可采用上部空心板黏貼碳纖維板、橋墩系梁、蓋梁外包混凝土等措施以提高橋梁的承載能力。

（2）橋梁靜力荷載試驗數據表明，加固后上部結構在靜力荷載作用下處于彈性工作狀態，主梁結構受力狀況得到一定改善，加固后的橋梁可滿足公路-I 級荷載的要求。

（3）加固后橋梁環境振動試驗的實測豎向一階頻率為6.84 Hz，大于理論豎向一階頻率值5.42 Hz，橋梁加固后剛度滿足設計要求。

（4）通過下部結構蓋梁抗彎承載力驗算表明，植筋、外包混凝土對蓋梁抗彎承載力有明顯提升。