空心板梁橋鋼抱箍加固技術研究與應用

王寶紅，顏 利，張 亮，謝震瑜，趙 健，張 鵬

（1.上海培宏公路養護技術有限公司，上海市 200082；2.上海市浦東新區道路運輸事業發展中心，上海市 200129；3.上海浦東公路養護建設有限公司，上海市 200137）

0 引 言

空心板梁由于構造相對簡單、施工方便而被廣泛應用于中小跨徑橋梁中。2007 年之前修建的空心板梁橋多采用小鉸縫連接，空心板之間橫向聯系薄弱的情況很突出。在施工缺陷、交通量和重載超載車輛不斷增加等因素共同作用下，許多空心板梁出現了鉸縫損壞，使得空心板梁間的聯系進一步減弱，造成單片板梁受力增大甚至底板開裂，并伴隨橋面鋪裝開裂破損的情況。鉸縫損壞嚴重甚至失效時，出現了單板受力的情況。這些空心板梁病害嚴重影響橋梁使用性能，給橋梁運營安全帶來嚴重隱患。

空心板鉸縫病害具有普遍性，而且具有逐年增加的趨勢，一旦出現就會迅速劣化，成了困擾養護行業的大問題。

由于空心板梁橋薄弱的小鉸縫的先天不足，造成整個上部結構的整體性不強，是造成鉸縫病害及橋面鋪裝破壞的主要原因。從既有的空心板梁橋加固方法來看，有僅加固每片板梁的縱橋向抗彎、抗剪能力的，可是如果不同時采取加強空心板梁間的橫向聯系的措施，隨著鉸縫狀況的劣化，仍然會出現橋面開裂破損的病害。因此，如果要系統性解決上述問題，迫切需要采取有效措施增強空心板梁間的橫向聯系以提高其整體性，以達到延長橋梁使用壽命、減少全壽命周期內的維修養護的次數和費用的目的。

國內開展了一些增加空心板梁間整體性的加固技術的研究和應用，比如橫向預應力鋼筋方法[1-2]、梁底鋼橫梁法[3]、橫向預應力碳纖維板法[4]、梁底增設橫向鋼板法[5]、錨夾板拉桿法加固鉸縫[6]、增厚橋面鋪裝法[7]等。這些加固方法取得了較多研究成果，部分方法也應用于實橋。

然而既有的加固方法也存在一些不足，有的加固構造的剛度不足、加固效果不顯著；有的工藝復雜、實施難度大；有的施工工期長、對既有交通影響很大；有的造價昂貴。這些不足之處不利于加固技術的推廣應用。因此，在既有加固技術的基礎上，升級創新出一種加固效果好、構造簡單、施工方便快捷的加固技術就顯得尤為迫切。

1 鋼抱箍加固技術要點

1.1 加固原理

《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22—2008）中對于簡支梁（板）橋加固設計，第10.2.1 條有規定“4梁（板）橫向聯系不足時，可采用增強橫梁、增設橫向預應力或加強橋面橫向聯系等方法加固”。

鋼抱箍法加固技術是以增強空心板梁橫向聯系為出發點，旨在提高空心板梁的整體性，消除單板受力現象，減少橋梁病害，是一種施工速度快、對交通影響小的能提高結構承載能力水平的加固方法。

具體方法是在每跨內設置2～3 道橫橋向鋼抱箍，鋼抱箍由上下鋼箍和多道豎向對拉桿組成，通過抱箍效應將空心板梁捆綁在一起，增強整體性。

具體可結合橋梁跨徑、橋梁寬度、汽車荷載等級、交通量等情況并結合計算分析來確定，小跨徑的空心板梁橋每跨可布置2 道，大跨徑的空心板梁橋每跨可布置2～3 道。鋼箍本身的規格和板厚、對拉桿的規格和數量也可以根據需要進行調整。

對于已經出現鉸縫損傷的空心板梁橋，鋼抱箍承擔橫向分配的功能后，降低了鉸縫的受力，阻止了鉸縫病害惡化。而對于鉸縫基本完好的空心板梁，鋼抱箍可以承擔一部分活荷載橫向分配的功能，對鉸縫起到保護的作用。因此這種方法既能治理病害，也能有效防止病害的發生。

1.2 加固原則

（1）從增強橫向聯系的角度出發，不改變空心板梁的簡支受力模式，基本不改變橋梁外觀，基本不增加自重。

（2）兼顧交通方案和施工方案。施工要能方便快捷，盡量減少拆除和新修的工程量。

（3）技術方案結合全生命周期成本，提高結構耐久性，減少維修頻次。

（4）研究優化施工工藝，通過良好的工藝水平來實現技術要求，達到加固效果。

（5）針對結構特點、施工條件等，對材料指標提出明確的要求。采用有良好施工性能、高強早強、高韌性、抗沖擊的材料。

1.3 加固方案

鋼抱箍法加固技術采用增加橫向聯系提高空心板梁的整體性，空心板梁體的頂部設置上鋼箍，梁底設置下鋼箍，在每道梁縫處設置豎向錨桿將上下鋼箍對拉形成一個整體。鋼箍與空心板梁之間采用專用的高強無收縮灌漿料、高性能鉸縫灌注料填充密實，形成一個套箍，將各片空心板梁剛接，相當于設置一道橫梁，如圖1、圖2 所示。

圖1 鋼抱箍立面圖

圖2 鋼抱箍橫斷面圖

（1）上、下鋼箍：采用工廠制作，由主鋼板和3～4道加勁肋組成。主鋼板在梁縫處開孔（穿對拉錨桿）。

（2）豎向對拉錨桿：采用定制的對拉超長螺桿，螺桿上端和下端采用螺母固定，螺帽與鋼箍主鋼板之間設小塊墊板。

（3）鋼箍與板梁之間注漿：下鋼箍與梁底之間、上鋼箍與梁頂之間、梁縫空隙處采用快硬型高強無收縮灌漿料注漿密實。使得鋼箍與空心板梁密貼，確保抱箍效果。

（4）鉸縫澆筑：鋼抱箍施工前將鋼箍所在位置（鋼箍寬度加兩側各300 mm 寬度范圍）內鉸縫原來的混凝土鑿除，鋼抱箍施工后采用高性能鉸縫填筑材料進行填筑，該材料是為本方案研發的專用材料。

（5）鋼筋混凝土鋪裝層溝槽填筑：鋼抱箍施工前，將鋼箍所在位置（鋼箍寬度加兩側各350 mm 寬度范圍）內原來的橋面鋼筋混凝土鋪裝層鑿除（鋼筋保留），鋼箍施工完畢，恢復鋪裝層鋼筋（縱向鋼筋焊接在上鋼箍上），將溝槽填筑與混凝土鋪裝層平齊。為保證溝槽填筑質量，采用高性能橋面鋪裝材料，該材料為本方案研發的專用材料。

（6）對承載力不夠的板梁進行梁底加固：由于交通區劃管理，第三、四車道的重車輪跡幾乎是固定地作用在特定的幾塊板梁上，造成這幾塊板梁的損壞。對于損壞嚴重的、單梁受力的、承載力不滿足的部分板梁，可采用梁底粘貼鋼板或碳纖維板。縱向鋼板或碳纖維板位于橫向鋼箍底鋼板上方，用粘鋼膠進行粘貼。

1.4 材料要求

對于加固工程，要求盡可能少的改變原來的恒載，所以要求用最少的材料來達到最佳的加固效果。同時應選擇具有合適性能指標的材料，并嚴格執行。

（1）鋼材：鋼箍采用Q355D 鋼材，技術條件應滿足《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591—2018）的要求。鋼材應按正火、正火軋制或熱機械軋制（TMCP）狀態交貨，鋼板質量應符合I 級要求，鋼板尺寸偏差應符合《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》（GB/T 709—2019）的規定。

（2）焊接材料：由鋼結構加工單位根據母材鋼板的技術要求和性能選取焊絲和焊劑，經過工藝評定試驗和有關的專項試驗評定后確定。

（3）注漿材料：下鋼箍與梁底之間，梁縫、上鋼箍與梁頂之間采用快硬型高強度無收縮灌漿料，該材料是以高強度材料作為骨料，以水泥作基料，輔以高流態、微膨脹、防離析等物質配制而成，在現場加入一定量的水攪拌均勻即可使用。材料具有早強、高強、微膨脹、流動性好、無腐蝕性、抗沖擊、耐振動的特性，性能指標見表1。料漿能自流，灌漿料能夠在無震搗的條件下自動灌注狹窄縫隙，適應諸如復雜結構、密集布筋及狹窄空間的澆注與灌漿。

表1 快硬型高強無收縮灌漿料性能指標

（4）快硬型高性能鉸縫填筑材料：由硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、可再分散乳膠粉、碳納米管、石膏、復合外加劑、骨料和鋼纖維等配合而成，具有良好的施工性能、高強度、高韌性、良好的界面性能。性能指標見表2。

表2 快硬型高性能鉸縫填筑料性能指標

（5）快硬型高性能橋面鋪裝材料：由鋁酸鹽水泥、石膏、可再分散乳膠粉、調凝劑、促強劑、復合外加劑、骨料和鋼纖維等材料配合而成，具有良好的施工性能、高強度、高韌性，與鋼筋之間有很強的握裹力，與板梁混凝土之間有良好的界面性能。性能指標見表3。

表3 快硬型橋面鋪裝材料性能指標

1.5 施工工藝

1.5.1 施工工序

鋼箍和對拉錨桿采用工廠制作，現場安裝?，F場根據施工工藝進行流水施工：瀝青銑刨- 鋼筋混凝土鋪裝層及鉸縫鑿除- 梁縫間鉆孔- 鋼箍安裝調平- 對拉錨栓安裝- 焊接固定- 密封、注漿- 填筑鉸縫和混凝土鋪裝層-橋面鋪裝系統恢復。

1.5.2 施工步驟及工藝

現場施工步驟如下：

（1）銑刨鋼抱箍范圍及兩側一定范圍內的瀝青混凝土鋪裝。鑿除鋼抱箍范圍及兩側一定范圍鋼筋混凝土鋪裝和鉸縫內混凝土。

（2）將鉆機底座用化學螺栓固定在板梁頂上，調整鉆頭方向使其與梁縫方向一致。注意保證鉆孔方向，如發現偏位要及時糾偏。

（3）將鋼抱箍范圍內混凝土表面鑿毛，將鉸縫、梁縫及溝槽內雜物、灰塵清理干凈。

（4）吊裝上鋼箍，鋼箍與板梁之間采用鋼塊墊實，每米至少設一對墊塊。

（5）吊裝下鋼箍，調平，調節鋼箍頂距離梁底最近處2 cm（梁底不平時，最近處不小于1.5 cm），在抱箍與梁底之間采用鋼塊楔緊。

（6）安裝對拉錨桿，如果孔位不對需要在鋼箍上重新開洞的，原來的洞需要等強度填補。擰緊螺母，分初擰和終擰，保證每個螺桿均勻受力。將對拉錨桿的上下端小墊板與鋼箍主鋼板焊接，采用四面圍焊。將多余長度的錨桿截除、打磨。將螺母與小墊板焊接。

（7）施工上鋼箍與邊梁的化學錨栓。安裝下抱箍側邊翻起部分，側板用化學錨栓固定，保證主鋼板、肋板連接平順。

（8）將梁縫、溝槽、抱箍里外采用高壓風槍將灰塵雜質清理干凈，灑水濕潤。

（9）封閉梁底與下鋼箍之間的空隙，預埋注漿孔，孔距800～1 200 mm。下鋼箍與梁底采用壓力注漿，從低的一端注，高的一端均勻冒漿，將注漿孔和冒漿孔迅速塞緊。必須切實保證灌漿的密實度。

（10）采用橡膠氣囊封閉梁縫，采用快硬型高強無收縮灌漿料灌注梁縫至鉸縫底，灌注面呈倒梯形。

（11）采用快硬型鉸縫填筑材料將鉸縫灌筑至與梁頂平。

（12）恢復混凝土鋪裝層鋼筋，將其中橋面鋪裝的縱向鋼筋拉直，與上鋼箍雙面焊接。

（13）封堵上抱箍與梁頂之間的空隙。上抱箍與梁頂采用壓力注漿至飽滿，要求同梁底灌漿。

（14）將整個溝槽采用高壓風槍吹干凈，濕潤。采用快硬型高性能橋面鋪裝材料將溝槽、肋間灌筑至與原混凝土鋪裝層平齊。

（15）在下抱箍與梁底之間打結構膠。對拉錨桿的下錨板、錨桿端部、螺母進行防腐涂裝，底漆兩道、中間漆一道、面漆一道。對整個下抱箍裸露面涂面漆一道。

（16）橋面溝槽范圍內做防水層，然后鋪瀝青鋪裝層。

1.5.3 施工注意事項

鋼抱箍加固施工工藝復雜，工序多，要求非常高，一個工序的失誤會導致整個結構作用失效。

（1）鋼箍范圍的梁板頂面和底面、鉸縫及鋼筋混凝土鋪裝層范圍的板梁頂面都需要鑿毛并清理干凈，以利于新老混凝土的結合。

（2）鋼箍加工后要平整順直，矯正不可采用熱矯正，需采用液壓機械矯正。

（3）鋼箍與空心板梁頂底面的預留間隙要控制好以利后面的灌漿工序，支墊鋼塊數量要足夠、要墊緊以防止拉桿松動。

（4）梁縫鉆孔深度大，精度要求高，板梁側向鋼絞線保護層40 mm，鉆孔必須采用切實可靠的手段使得鉆后的混凝土保護層厚度仍然滿足要求。確保鉆頭對準梁縫中心位置，方向與梁縫方向一致，鉆機固定要牢固。

（5）必須采用切實的措施將灌漿空間密閉，采用壓力注漿的方式以確保灌注的密實度，材料選用專用材料。

2 工程應用實例

2.1 項目加固情況

本加固技術首先在上海市浦東新區黃趙路跨線橋進行工藝試驗?？偨Y經驗后已成功運用于上海浦東S1 迎賓高速浦東運河橋和S20 外環高速上南路跨線橋。

（1）黃趙路跨線橋

2021 年3 月在浦東新區黃趙路跨線橋（斷頭路，沒有交通）上對工藝和材料進行了現場實際操作，工藝試驗施工照片見圖3。該橋橋面總寬8.5 m，上部結構每跨均由8 榀預應力混凝土空心板梁組成，試驗跨的跨徑為22 m。

圖3 黃趙路跨線橋工藝試驗施工照片

黃趙路跨線橋工藝試驗順利完成了一個完整工藝流程。整個方案合理，施工技術可行，可以運用于運營中的橋梁。結合該橋的工藝試驗對加固方案提出細化建議，并進行了修改，如上抱箍的構造（增設剪力釘等）。對關鍵工藝如梁間鉆孔、鋼結構安裝、灌漿、溝槽填筑等進行了進一步研究與改進，制定了標準化工藝。

（2）S1 迎賓高速浦東運河橋

2021 年4 月對S1 迎賓高速浦東運河橋南幅的K2 跨進行加固。該橋單幅橋寬17 m，每跨16 塊板梁，跨徑21 m。外側第五塊板梁兩側鉸縫破壞嚴重，2018 年進行過梁底注膠加固，又發生破壞，鉸縫滲水非常嚴重。本次加固安裝了3 道鋼抱箍，對破壞明顯的第5 塊板梁兩側的鉸縫進行開挖修補。加固施工照片見圖4。

圖4 浦東運河橋加固施工照片

（3）S20 外環高速上南路跨線橋

2021 年12 月對S20 外環高速上南路跨線橋搶修加固。該橋每幅橋寬16.6 m，跨徑多為22 m。加固方案將鉸縫損壞嚴重橋跨的第三、四車道用鋼抱箍（8.2 m 長）增加橫向聯系，共加鋼抱箍40 條，由于時間及費用的限制，沒有對破壞的鉸縫進行修復。加固施工照片見圖5。

圖5 上南路跨線橋加固施工照片

2.2 加固效果

2.2.1 鉸縫相對位移檢測

S1 迎賓高速浦東運河橋K2 跨進行了4 次鉸縫相對位移檢測[8]，檢測部位有S2-5# 鉸縫跨中與八分之三點。現場檢測情況及結果見表4、表5。

表4 現場檢測情況表

從檢測結果及評定來看，加固前S2-5# 鉸縫的相對位移很大，處于破壞狀態。采用鋼抱箍增強橫向聯系后，板梁整體性得到提高，S2-5# 鉸縫的相對位移明顯減小，且參數α 值非常小，說明經增加鋼抱箍加固后，該鉸縫由破壞狀態轉為完好狀態，橋梁橫向整體性達到完好狀態。

3.2.2 活荷載試驗

上南路跨線橋選擇典型橋跨，在板梁跨中底板貼混凝土應變片、在鋼箍肋板和底板貼應變花、對拉錨桿上貼應變片。分別在加固前、鋼抱箍加固后進行汽車荷載試驗，（因為不能中斷交通，本次動載利用運營車輛，測量一個時段，選擇峰值），測量各個空心板梁梁底混凝土和鋼箍、對拉錨栓的應變情況[9]。

（1）空心板跨中梁底混凝土應變，統計結果見表6。

表6 空心板跨中梁底混凝土應變統計表

因為運營荷載的不同，加固后混凝土的應變數值雖有誤差，但是也可以判斷出加固后的跨中混凝土應變的減小趨勢。

（2）鋼箍本身的應變，統計結果見表7。

鋼箍底板和肋板在荷載作用下產生應變，證明鋼箍在荷載作用下，對傳遞橫向荷載起作用。

（3）對拉錨桿應變測試，范圍是-38～17 με，第三、四車道中間的錨桿應變值最大。

（4）環境振動試驗，測試橋跨典型狀態下的振型和頻率，結果見表8。

表8 橋跨振型和頻率單位：Hz

可以看出加固后動力特性有所提高，說明鋼抱箍對提高簡支梁的整體剛度和改善動力特性有作用。

3 總 結

（1）鋼抱箍法加固技術在每跨內設置2～3 道橫橋向鋼箍，將空心板梁捆綁在一起，增強橫向聯系。該加固技術科學可靠，施工方便快捷。并且對加固材料、施工工藝進行了系統研究，在開展工藝試驗的基礎上，應用于實橋加固。

（2）通過實橋試驗檢測看出，鋼抱箍對于提高空心板梁整體性有顯著效果，可以提高空心板梁的橫向傳力能力。

（3）加固后的橋梁經過兩年的運營，狀況良好，鋼抱箍本身結構及注漿填筑都保持完整，橋面沒有反射裂縫。證明該加固技術可實施性強、加固效果佳，是一項推廣價值很高的加固技術。

（4）需要注意的是，該方案有好多環節都是新技術，施工要求很高且很難檢驗。若控制不好，一個環節的失誤就會大大影響加固效果甚至造成不良的后果。需要施工水平高的專業單位，并要求有高標準的管理水平。

（5）測試結果為計算分析、加固設計提供參考數據，在下一步的研究中進行進一步理論量化分析，使該方法更加科學規范。例如可以將空心板梁鉸縫的損傷程度作為分析因素。

（6）對運營后鋼抱箍的工作狀態進行定期觀測等，不斷改進該項加固技術，提高加固效果、經濟性和標準化程度。