30m先簡支后連續(xù)小箱型梁舊橋加固方案分析

楊建鋒 李油油 張鴻志

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，河南 鄭州 451450）

0 引言

19 世紀(jì)20 世紀(jì)初，我國掀起了高速公路建設(shè)的高潮，在當(dāng)時的社會經(jīng)濟(jì)條件下，基于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ 023-85）和《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021-89）等公路橋梁設(shè)計規(guī)范，30m 先簡支后連續(xù)小箱梁，為省級干道和高速公路上的常見橋型，因其高跨比及施工便意性等特點，該橋型結(jié)構(gòu)在中小橋中占比較高。隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展和相關(guān)規(guī)范的更新，橋梁荷載等級由原來的車隊荷載變?yōu)檐嚨篮奢d，較現(xiàn)行規(guī)范，原橋梁的安全儲備降低；此外，部分橋梁輔助構(gòu)件的配置不足，導(dǎo)致橋梁在運營期間會出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)性病害，且隨著服役時間的增長橋梁會出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失現(xiàn)象，加重橋梁病害，導(dǎo)致橋梁安全性降低。為了適應(yīng)現(xiàn)交通情況，滿足現(xiàn)規(guī)范要求，目前新建30m 先簡支后連續(xù)小箱梁承載能力和安全儲備都有所增加，30m 先簡支后連續(xù)橋梁通用圖在梁高不變的情況下，跨中橫斷面腹板由原來的18cm 厚變?yōu)?0cm，中跨鋼束由原來的28 根，增加為36 根；邊跨鋼束由原來的36 根，增加為40 根，橫隔板由0 片，變?yōu)? 片。為使現(xiàn)役30m 先簡支后連續(xù)小箱梁滿足現(xiàn)交通要求，需對現(xiàn)狀出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害的橋梁進(jìn)行加固?，F(xiàn)役30m 先簡支后連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)性病害治理及承載力有效的提升方案還在研究中，本文以大廣高速公路周口南互通立交橋?qū)嶋H加固工程案例，作為30m先簡支后連續(xù)小箱型梁舊橋加固方案分析對象，希望能為橋梁加固行業(yè)起到一些參考價值。

1 橋梁概況

周口南互通立交橋位于大廣高速公路（G45）K2082+845 公里處，橋梁全長為886m，橋跨結(jié)構(gòu)為左幅(7×30)+(35+4×39.99+50+2×39+3×35)+(8×30)m，右幅（7×30）+（3×35+2×39+50+4×39.99+35）+（8×30）m，橋面鋪裝類型為瀝青混凝土，本橋第二聯(lián)上部構(gòu)造為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，第一、第三聯(lián)上部為裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。下部橋臺為肋板式，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋墩為柱式，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。此橋由左右兩幅組成，橋面凈寬2×12.0m。設(shè)計荷載：汽車-超20 級，掛車-120。

2 病害及原因分析

2.1 橋梁病害

2020 年3 月，在定期檢查基礎(chǔ)上，通過對裂縫深度、混凝土強度、碳化深度等進(jìn)行了專項檢測，該橋右幅橋梁技術(shù)狀況評為三類。橋梁主要病害為部分梁體跨中的U 型、橫向、豎向裂縫，裂縫深度已超過保護(hù)層厚度，裂縫最深處已經(jīng)超過70mm，裂縫寬度大多超過0.2mm，橋梁病害情況如下圖所示。橋梁承載力已經(jīng)不再滿足原設(shè)計規(guī)范要求，亦不滿足現(xiàn)規(guī)范公路I 級荷載要求。

橋梁病害圖

2.2 病害原因分析

1）裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨中區(qū)域出現(xiàn)U 形、橫向和豎向裂縫，最根本原因是跨中區(qū)域截面抗彎承載能力不足，屬于預(yù)應(yīng)力不足導(dǎo)致，本項目小箱梁跨中產(chǎn)生橫豎向、U 形裂縫，且部分裂縫深度已超過鋼筋保護(hù)層，說明構(gòu)件已由部分預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件發(fā)展到B 類構(gòu)件。造成抗彎承載能力不足的主要原因如下：

a）規(guī)范迭代：該橋原設(shè)計規(guī)范為汽超20 掛120，現(xiàn)在規(guī)范為公路I 級荷載，荷載變化導(dǎo)致橋梁的安全儲備降低，部分橋梁甚至不滿足公路I 級荷載對應(yīng)的承載能力，在這種超限荷載長期運營下，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫

b）結(jié)構(gòu)設(shè)計的差異；原設(shè)計中30m 小箱梁并沒有設(shè)置橫隔板，各梁之間很難做到協(xié)同工作，在超限荷載下長期運營導(dǎo)致單梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害。

c）預(yù)應(yīng)力損失：項目橋梁運營年限久，箱梁負(fù)彎矩處的預(yù)應(yīng)力損失出現(xiàn)頻率較高，負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力損失，會直接導(dǎo)致梁體跨中出現(xiàn)U 型裂縫，呈現(xiàn)出承載力不足現(xiàn)象。

3 加固改造方案

3.1 加固改造原則

本次加固設(shè)計方案以恢復(fù)構(gòu)件使用功能、對現(xiàn)狀病害梁體恢復(fù)承載能力、保障結(jié)構(gòu)安全性和耐久性為目的[1]。

設(shè)計中區(qū)分構(gòu)件結(jié)構(gòu)性病害與非結(jié)構(gòu)性病害，對非結(jié)構(gòu)性病害的構(gòu)件維修方案以恢復(fù)使用功能和耐久性為主；對結(jié)構(gòu)性病害以及受力構(gòu)件，加固以恢復(fù)構(gòu)件使用功能和承載能力為主要措施。

3.2 混凝土破損、開裂處治方案

非結(jié)構(gòu)性裂縫[1]可在清洗完混凝土表面雜質(zhì)及縫內(nèi)雜質(zhì)后，按照《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》（JTG/TJ22-2008）第16.3 條要求，裂縫寬度≥0.15mm的裂縫采用壓力灌注法進(jìn)行修補，裂縫寬度＜0.15mm 的裂縫采用表面封閉法進(jìn)行修補。

混凝土破損、露筋均為局部病害[2]，屬非結(jié)構(gòu)性病害。維修以抑制病害發(fā)展、增強結(jié)構(gòu)的耐久性為目的。破損部位鑿除表面已松動、損壞的混凝土，用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補，新補的材料要密實，與原結(jié)構(gòu)結(jié)合牢固。對已出現(xiàn)露筋、保護(hù)層剝落時，先將松動的保護(hù)層鑿去，清除銹跡，再用環(huán)氧砂漿修補。

混凝土破損、開裂等病害的維修施工須在結(jié)構(gòu)性加固方案之前完成。

3.3 橫向聯(lián)系加固

主梁橫向聯(lián)系通過，添加橫隔板方案加固，在主梁跨中和四分點進(jìn)行添加，加固方案如下圖所示

橫隔板加固圖

3.4 梁體結(jié)構(gòu)加固方案

針對現(xiàn)狀橋梁的抗彎承載力不足，常用的加固方式有：體外預(yù)應(yīng)力鋼束[4]、預(yù)應(yīng)力碳纖維板、粘貼鋼板、粘貼纖維復(fù)合材料等方式。本次加固方案根據(jù)梁體的裂縫嚴(yán)重程度和撓度進(jìn)行選擇，其中粘貼鋼板、纖維復(fù)合材料為被動加固，在加固時不改變梁體受力狀態(tài)，不承受主梁自重，只承受活載，不適用于本次加工工程。體外預(yù)應(yīng)力束、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固時，可改變梁體受力狀態(tài)，承受梁體自重和活載，適合本次加固工程。

經(jīng)查閱原設(shè)計及竣工圖紙，本橋上部結(jié)構(gòu)均為部分預(yù)應(yīng)力混凝土A 類構(gòu)件，按原設(shè)計及規(guī)范要求在作用頻遇組合下正截面受拉邊緣拉應(yīng)力不超過規(guī)定限值，不允許出現(xiàn)裂縫。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固面有限，不能滿足本橋承載力提升所需的加固碳纖維板數(shù)；體外預(yù)應(yīng)力鋼束可滿足本次承載力提升加固方案，故本設(shè)計推薦采用體外預(yù)應(yīng)力束加固方案。

體外預(yù)應(yīng)力束與預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方案對比表

4 加固效果

項目組采用Midascivil2017 程序，以周口南互通立交橋7x30 米預(yù)應(yīng)力簡支變連續(xù)小箱梁建立模型。對現(xiàn)狀產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫的梁體按照J(rèn)TJ 023-85 規(guī)范汽超20 級，掛車-120 荷載等級下預(yù)應(yīng)力損失10%按部分預(yù)應(yīng)力混凝土B 類受彎構(gòu)件進(jìn)行了模擬（裂縫產(chǎn)生在跨中1/3 跨徑長范圍）；對設(shè)置6 根體外預(yù)應(yīng)力加固后的結(jié)構(gòu)，按照部分預(yù)應(yīng)力混凝土A 類受彎構(gòu)件進(jìn)行了驗算。驗算結(jié)果及結(jié)構(gòu)計算結(jié)論如下表所示：

計算數(shù)據(jù)對比表

5 加固后評價

該項目實施后，橋梁受力性能得到改善，有效消除了橋梁上部受力結(jié)構(gòu)的三、四類部件。根據(jù)管理單位提供最新的檢測報告，該橋現(xiàn)狀技術(shù)狀況評定為一類，未見梁體發(fā)展或出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)性病害，加固設(shè)計取得良好效果。

6 結(jié)論

1）30m 先簡支后連續(xù)小箱梁舊橋主梁U 型裂縫，是由于橋梁橫向聯(lián)系不足和縱向預(yù)應(yīng)力損失等多方面導(dǎo)致。

2）30m 先簡支后連續(xù)小箱梁舊橋同跨多片主梁出現(xiàn)多處U 型裂縫時，對其進(jìn)行承載力改善加固時，還應(yīng)考慮主梁的橫向加固。

3）在對主梁進(jìn)行加固時，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)橋梁病害情況，分析清楚病害原因，對各種加固方案進(jìn)行對比，選出最優(yōu)加固方案。

4）體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可有效改善病害橋梁的承載能力，保障橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)運營。