某市政橋梁加固方案設(shè)計

武東超，方圓 （安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 工程背景

1.1 橋梁簡介

某市政橋梁主橋跨徑布置為45m+70m+45m，采用分離式雙幅橋面，左、右幅橋面寬均為18m，橋面全寬為38m，雙向8車道；設(shè)計荷載等級為汽車-超20級，掛車-120。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)體系應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁，采用懸臂現(xiàn)澆法施工；主梁采用單箱單室截面，頂板寬18.0m，底板寬9.5m；主梁標(biāo)準(zhǔn)梁高為2.0m，中支點(diǎn)處梁高為4.0m，梁底下緣采用圓曲線變化；箱梁腹板標(biāo)準(zhǔn)厚度為0.5m，支點(diǎn)處腹板厚度為0.7m。在主橋全長范圍內(nèi)，主梁兩腹板均采用Φ32的高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋設(shè)置了豎向預(yù)應(yīng)力，主梁僅在中支點(diǎn)兩側(cè)各14m范圍內(nèi)設(shè)置了腹板下彎束，中跨最外側(cè)腹板下彎束距跨中21m。該橋在1999年9月完成施工圖設(shè)計，于2001年6月建成通車。

1.2 橋梁病害

根據(jù)2018年橋梁定期檢測報告及現(xiàn)場調(diào)查，主橋中跨箱梁腹板外側(cè)出現(xiàn)斜裂縫，腹板斜裂縫分布均位于跨中至腹板下彎束范圍內(nèi)，具體為：距跨中6～12m范圍，左幅中跨右側(cè)腹板出現(xiàn)4條斜向裂縫，最大裂縫寬度為0.18mm；距跨中5～15m范圍，右幅中跨右側(cè)腹板出現(xiàn)9條斜向裂縫，最大裂縫寬度為0.30mm；距跨中8m處，右幅中跨左側(cè)腹板出現(xiàn)1條斜向裂縫，最大裂縫寬度為0.20mm。

圖1 橋梁橫斷面圖（cm）

圖2 箱梁腹板下彎束布置圖（cm）

圖3 腹板斜裂縫實(shí)景圖

根據(jù)橋梁檢測報告，評定本橋技術(shù)狀況等級為D級（不合格）。由于箱梁腹板開裂后，將影響結(jié)構(gòu)耐久性，降低腹板抗剪承載能力；因此，急需對本橋進(jìn)行加固維修處理。

2 結(jié)構(gòu)檢算

為了解橋梁使用狀況，更準(zhǔn)確地分析病害原因，采用有限元軟件Midas Civil按原設(shè)計建立主橋單梁有限元模型，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，為制定加固方案提供依據(jù)。計算模型采用空間梁單元模擬主梁，全橋共計54個單元，通過約束節(jié)點(diǎn)自由度模擬主梁邊界條件。

圖4 主橋有限元模型

主橋箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，按照A類部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行檢算。分別按照原設(shè)計汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)（汽車-超20、掛-120）及現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)（城市-A級），對中跨主梁關(guān)鍵截面的正截面抗彎承載力及斜截面抗剪承載力進(jìn)行檢算。

中跨關(guān)鍵截面抗彎承載力檢算表（kN·m） 表1

中跨關(guān)鍵截面斜截面抗剪承載力檢算表（kN） 表2

計算結(jié)果表明，中跨主梁關(guān)鍵截面的正截面抗彎承載力及斜截面抗剪承載力均滿足原設(shè)計規(guī)范及現(xiàn)行規(guī)范要求。

3 原因分析

箱梁腹板出現(xiàn)斜裂縫是由主拉應(yīng)力超出混凝土抗拉強(qiáng)度引起的，箱梁縱向預(yù)應(yīng)力及豎向預(yù)應(yīng)力均直接影響腹板斜截面抗裂。主梁腹板豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋較短，張拉錨固后鋼筋回縮將抵消近一半的張拉伸長量，考慮后期收縮徐變等影響，腹板豎向鋼束有效預(yù)應(yīng)力將損失殆盡。根據(jù)老橋施工圖設(shè)計文件，主橋70m中跨箱梁采用內(nèi)置勁性鋼骨架合攏施工；結(jié)合國內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋工程實(shí)踐，該工藝會造成預(yù)應(yīng)力損失比理論計算值大。

圖5 距跨中11.5m處截面

為進(jìn)一步分析病害原因，將中跨跨中箱梁底板鋼束預(yù)應(yīng)力損失分別取理論計算值的1.1、1.15及1.2倍，考慮腹板豎向預(yù)應(yīng)力損失50%、80%及100%，選取兩處腹板開裂的截面（距跨中11.5m及15m），對其腹板進(jìn)行定量抗裂性分析。

由上述計算結(jié)果，底板束預(yù)應(yīng)力損失對主拉應(yīng)力影響約為3.6%，豎向預(yù)應(yīng)力損失影響約為46.7%，可見腹板豎向預(yù)應(yīng)力損失對主拉應(yīng)力影響更為顯著。當(dāng)豎向預(yù)應(yīng)力損失至100%時，截面主拉應(yīng)力為2.909MPa＞ftk=2.65MPa；綜合考慮溫度、箱梁空間畸變效應(yīng)及車輛偏載等作用影響，將導(dǎo)致腹板混凝土開裂。

圖6 距跨中15m處截面

加固方案對比表格 表3

主橋跨中合攏段采用的內(nèi)置勁性鋼骨架對跨中梁段起到加勁作用，增大了主梁抗彎剛度，使得跨中梁段不易撓曲，導(dǎo)致變形向中支點(diǎn)方向轉(zhuǎn)移。在中支點(diǎn)附近梁段，主梁設(shè)置了腹板下彎束，對主梁抗剪承載力及抗裂起到很大有利作用。而在跨中至腹板下彎束間梁段，主梁內(nèi)力及變形均相對較大，由于沒有設(shè)置腹板下彎束，但主梁腹板豎向預(yù)應(yīng)力損失很大，綜合其他不利因素，將導(dǎo)致跨中至腹板下彎束梁段產(chǎn)生腹板斜裂縫。根據(jù)檢測報告及現(xiàn)場調(diào)查，主梁腹板斜裂縫均位于跨中至腹板下彎束間梁段，與上述分析基本一致。

4 加固方案設(shè)計

4.1 加固方案

箱梁腹板開裂后，將影響結(jié)構(gòu)耐久性，降低腹板抗剪承載能力，需對老橋腹板進(jìn)行加固處理。在制定加固方案時，綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、工期及施工可操作性等因素，選擇不同的加固方案進(jìn)行比較，使加固方案切實(shí)、合理、可行。

考慮現(xiàn)狀主梁無明顯撓曲，綜合比選后，采用粘貼豎向鋼板對箱梁進(jìn)行加固。

為減少鋼板不均勻應(yīng)力、防止鋼板條間混凝土產(chǎn)生裂縫，充分發(fā)揮鋼板強(qiáng)度，采用小間距密集布置加固鋼板，并選擇寬厚比大、厚度相對較薄的鋼板。豎向鋼板條寬為25cm、厚6mm，縱向中心間距為45cm；縱向鋼板壓條寬為18cm、厚6mm。為防止腹板斜裂縫向底板延伸，在兩腹板下緣對應(yīng)位置的底板外側(cè)分別設(shè)置一道縱向鋼板條進(jìn)行加強(qiáng)，鋼板條寬25cm、厚6mm。

圖7 鋼板加固布置斷面（mm）

同時，在鋼板壓條與豎向鋼板交叉位置采用錨栓群連接，在壓條端部設(shè)置附加錨栓群，使豎向鋼板與縱向鋼板壓條形成有效剛架。

4.2 加固驗(yàn)算

根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/T J22-2008），鋼筋混凝土受彎構(gòu)件加固后，斜截面抗剪承載力按下列公式計算：

式中各參數(shù)詳見規(guī)范相關(guān)條文。為統(tǒng)計計算方便，將上式采用字母進(jìn)行替代。

鋼板加固后斜截面抗剪承載力 表4

為改善后期可能出現(xiàn)腹板斜裂縫向內(nèi)力較大且沒有設(shè)置腹板下彎束的位置轉(zhuǎn)移，將腹板粘貼鋼板的加固范圍由開裂位置向中支點(diǎn)方向延伸，加固范圍為中跨距跨中4～21m，加固后箱梁斜截面抗剪承載力計算值均滿足要求。

5 結(jié)論

本文通過主梁腹板抗裂定性分析及定量分析，得出腹板產(chǎn)生斜裂縫是由沒有設(shè)置腹板下彎束，而豎向預(yù)應(yīng)力損失大引起的；通過綜合分析比選，采用粘貼豎向鋼板的加固方案對主梁進(jìn)行加固。該加固方案加固效率高、外觀美觀，且施工簡單方便，提高了老橋的耐久性及抗剪承載能力，延長了其運(yùn)營年限，對該橋而言是一種較為合理的加固方案。本加固方案可以為相似橋梁的加固設(shè)計提供了有益參考。