加設(shè)橫梁法加固鋼筋混凝土連續(xù)箱梁方案研究

段繼祖

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

1 工程概況

該高架橋是國(guó)道主干線在山西境內(nèi)的重要組成部分，橋梁全長(zhǎng)2 611.6 m，由左右兩幅組成，主要以25 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為主，間有15 m、20 m、26 m跨裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面凈寬14.0 m；橋梁下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、肋板式臺(tái)，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，橋面鋪裝類型為瀝青混凝土。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為：汽車-超20級(jí)、掛車-120級(jí)；地震基本裂度為Ⅶ度。該橋于2001年建成并投入使用。

由于長(zhǎng)期受運(yùn)煤超載車輛影響，導(dǎo)致該橋超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，造成部分梁體出現(xiàn)不同程度病害，經(jīng)過對(duì)梁體進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)，本橋技術(shù)狀況綜合評(píng)定等級(jí)為“三類”橋梁，為保證高速公路運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)該橋進(jìn)行維修加固處治。

2 橋梁病害情況

通過橋檢，全橋存在病害梁體多達(dá)1 344片，其中邊梁656片，中梁688片，右幅的病害較多，邊梁和中梁數(shù)量相近。全橋主梁共出現(xiàn)裂縫8 054 m/5 597道，其中底板橫向裂縫1 766 m/1 790道，裂縫最寬0.64 mm；底板縱向裂縫3 401 m/768道，裂縫最寬0.63 mm；腹板豎向裂縫2 419 m/2 804道，裂縫最寬0.86 mm；腹板縱向裂縫467 m/235道，裂縫最寬1.07 mm，底板橫向、腹板豎向裂縫主要分布在梁跨的L/4和3L/4之間，其中U型縫240道分布在155片梁的L/4和3L/4之間。同時(shí)，上部混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大面積缺損、露筋、滲水、泛堿。

3 病害原因分析

a）裝配式連續(xù)箱梁是20世紀(jì)末在國(guó)內(nèi)大面積推廣使用的一種先簡(jiǎn)支后連續(xù)的橋梁結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式很好地解決了簡(jiǎn)支梁橋橋面容易產(chǎn)生連續(xù)裂縫的問題，大幅度提高了行車的舒適性，但這種結(jié)構(gòu)也存在橫向聯(lián)系弱、結(jié)構(gòu)整體性較差的缺點(diǎn)。

通過圖1中受力變形分析可以看出，箱梁在承受車輛荷載時(shí)，由于缺少跨中橫梁對(duì)箱梁變形的有效約束，梁體在受力過程中容易出現(xiàn)相對(duì)位移和扭轉(zhuǎn)，致使各梁的受力和變形缺乏有效協(xié)調(diào)，各梁之間受力變形形態(tài)差異較大，單梁結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的橫向分布系數(shù)小于實(shí)際承擔(dān)的荷載效應(yīng)，車輪作用的主梁實(shí)際承擔(dān)的荷載效應(yīng)較大。

圖1 箱梁受力空間變形狀態(tài)

b）該高架橋2001年正式通車運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)數(shù)十年來，交通量劇增，超載超限車輛大幅增加，對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞，致使該橋過早產(chǎn)生病害并持續(xù)發(fā)展。根據(jù)橋梁檢測(cè)報(bào)告，近幾年來該橋病害發(fā)展呈加速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，橋梁整體狀況總體呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，混凝土老化疲勞現(xiàn)象和預(yù)應(yīng)力損失程度加劇，已經(jīng)嚴(yán)重影響到橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。

c）該高架橋設(shè)計(jì)階段箱梁結(jié)構(gòu)尺寸偏小，鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道定位困難，混凝土保護(hù)層厚度普遍不夠，且早期施工力量薄弱，造成橋梁質(zhì)量普遍偏低，也是造成橋梁早期損壞的原因之一。

綜合以上原因分析，由于設(shè)計(jì)階段存在箱梁結(jié)構(gòu)不合理、箱梁整體剛度較差，造成各梁在承擔(dān)車輛荷載時(shí)與實(shí)際情況不符，出現(xiàn)相對(duì)位移和扭轉(zhuǎn)，造成箱梁腹板早期出現(xiàn)豎向裂縫，底板出現(xiàn)橫向裂縫；另外車輛超載也是造成箱梁病害快速發(fā)展的原因之一。

4 結(jié)構(gòu)加固目標(biāo)

a）本次加固以提高全橋箱梁整體剛度為主要目的，對(duì)全橋連續(xù)箱梁增設(shè)橫梁，將原設(shè)計(jì)鋪裝層調(diào)整為雙鋼混凝土，提高橋梁的整體剛度，改善活載的橫向分布。

b）對(duì)于底板橫向裂縫大于等于0.1 mm的普通箱梁，按此聯(lián)內(nèi)所有與此梁相同編號(hào)(單幅)的箱梁增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼束；變寬箱梁按底板橫向裂縫大于等于0.1 mm的梁跨增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼束，以提高開裂箱梁持久狀況下結(jié)構(gòu)的極限承載力。

c）對(duì)細(xì)微裂縫進(jìn)行灌縫封閉，避免環(huán)境對(duì)主梁結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步影響，提高主梁的耐久性。

在回歸模型Y=g(X)+ε中，當(dāng)g(X)=E(Y|X)時(shí)，有GMC(Y|X)=R2。但R2主要用于回歸分析，GMC則可以用來測(cè)度隨機(jī)變量間的解釋方差。

d）對(duì)混凝土剝落、露筋、腐蝕等部位進(jìn)行修補(bǔ)，更換損壞老化的橡膠支座，進(jìn)一步提高橋梁的整體使用性能。

5 加固方案比選

通過對(duì)病害產(chǎn)生的原因分析后得知，本橋加固重點(diǎn)在于對(duì)橫梁加固方式的選擇上，設(shè)計(jì)階段提出以下兩個(gè)加固方案，方案一是上部結(jié)構(gòu)采取跨中增設(shè)1道貫通箱體的鋼橫梁法；方案二是上部結(jié)構(gòu)采取跨中增設(shè)1道貫通箱體的鋼筋混凝土橫梁法。

5.1 方案一 上部結(jié)構(gòu)采取跨中增設(shè)1道貫通箱體的鋼橫梁法

5.1.1 裂縫處理

對(duì)上部結(jié)構(gòu)中裂縫寬度小于0.15 mm的裂縫采用封閉法進(jìn)行修補(bǔ)，裂縫寬度大于等于0.15 mm的裂縫采用壓力注漿法進(jìn)行修補(bǔ)。

5.1.2 跨中增設(shè)橫梁

對(duì)全橋裝配式連續(xù)箱梁跨中增設(shè)2道貫穿箱體的鋼結(jié)構(gòu)中橫梁。

5.1.3 箱梁底部施加體外預(yù)應(yīng)力

對(duì)底板橫向裂縫大于等于0.1 mm的開裂箱梁，每片梁增設(shè)兩束15-4體外預(yù)應(yīng)力鋼束；變寬箱梁按底板橫向裂縫大于等于0.1 mm的現(xiàn)澆箱梁，每片梁增設(shè)兩束15-8體外預(yù)應(yīng)力鋼束。

5.1.4 橋面鋪裝改造

鑿除原有橋面鋪裝，更換為C50雙鋼混凝土。

5.1.5 橋墩蓋梁裂縫

對(duì)橋墩蓋梁中存在裂縫寬度小于0.15 mm的裂縫采用封閉法進(jìn)行修補(bǔ)，裂縫寬度大于等于0.15 mm的裂縫采用壓漿法進(jìn)行修補(bǔ)。

5.1.6 上部結(jié)構(gòu)破損、滲水、泛堿等病害處理

清除破損、滲水、泛堿區(qū)域混凝土，對(duì)鋼筋除銹，采用環(huán)氧修補(bǔ)砂漿或環(huán)氧混凝土對(duì)破損區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)。

5.2 方案二 上部結(jié)構(gòu)采取跨中增設(shè)1道貫通箱體的鋼筋混凝土橫梁法

對(duì)全橋裝配式連續(xù)箱梁跨中增設(shè)1道貫穿箱體的混凝土中橫梁（比箱體高18 cm），同時(shí)在每道中橫梁底增設(shè)兩束15-2的預(yù)應(yīng)力鋼束，其余病害處置同方案一。

5.3 實(shí)體橫隔梁橫向結(jié)構(gòu)分析

采用有限元軟件對(duì)方案一中的1道鋼橫隔梁和方案二中的1道混凝土橫隔梁分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，兩模型均是求得邊梁跨中點(diǎn)的影響面加載面，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 邊梁跨中影響面豎向位移 ×10-2mm

圖2 單位力邊梁跨中豎向位移影響面

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，兩個(gè)加固方案在加固效果方面基本相當(dāng)，其兩者位移影響面豎向位移接近，整體截面剛度有所提高，橫向各梁受力更趨均勻，發(fā)揮了橫隔梁作為剛性支撐的作用，結(jié)構(gòu)整體受力性能提高，單梁受力的狀態(tài)明顯改善。

5.4 加固方案比選

經(jīng)過綜合對(duì)比，方案一、方案二在加固效果方面基本相當(dāng)，而方案一在費(fèi)用、工期和對(duì)原有結(jié)構(gòu)的影響方面優(yōu)于方案二，確定方案一為推薦方案。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來，隨著公路運(yùn)營(yíng)年限的增加，鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋的病害也越來越多，科學(xué)合理的加固方案，既能節(jié)約成本，同時(shí)能達(dá)到良好的效果。本文是筆者根據(jù)橋梁加固的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及橋梁加固工程實(shí)例，提出的獨(dú)特的加固思路，通過對(duì)該高架橋加固方案的比選，為今后類似橋梁加固方案設(shè)計(jì)提供建議，更好及時(shí)地為現(xiàn)代交通運(yùn)輸服務(wù)。

表2 加固方案比選表