G312国道某大桥加固设计方案

袁晓燕，秦向杰

（东南大学建筑设计研究院有限公司 南京市 210096）

近年来，随着交通量的增长和使用年限的增加，建成桥梁的病害也逐渐增多。特别是上世纪八十、九十年代建成的桥梁，在使用中出现越来越多的病害。究其原因，存在多方面因素：从设计角度分析，存在结构分析手段不足、对结构特性认知有限，新旧规范体系差异等问题；从施工角度分析，存在施工工艺水平不够，施工质量欠缺等问题；从使用角度分析，超载严重，养护管理不够及时等问题，上述各种因素都会对桥梁使用寿命形成不利影响。

1 工程概况

某大桥位于G312江苏境内，桥梁跨越IV级航道京杭运河（通航孔尺寸50×7m）。桥梁全长210m，跨径布置为（2×20）m+（35+60+35）m+（2×20）m，其中主桥（35+60+35）m跨越京杭运河。桥面全宽30.0m，两幅桥并列，中间设变形缝。现状桥面横向布置为：2.0m（人行道及栏杆）+3.5m（非机动车道）+8.75m（机动车道）+1.5m（中分带）+8.75m（机动车道）+3.5m（非机动车道）+2.0m（人行道及栏杆）＝30.0m。主桥上部结构为三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，引桥为空心板梁桥。

2 主桥桥梁结构设计

主桥单幅桥为单箱双室直腹板截面，箱梁顶板宽度为15m，底板宽8m，悬臂长3.5m。顶板厚0.30m，底板厚度为0.25m。箱梁梁高1.8～3.2m，两个边腹板厚30cm，中腹板厚度20cm。主桥箱梁设置纵向、竖向、横向三向预应力钢束，纵向钢束分为墩顶悬浇顶板束、边跨底板束及中跨底板束，采用24Φ5碳素钢丝，纵向钢束张拉控制应力为1065MPa。

竖向预应力采用冷拉四级圆钢筋，直径32mm，控制张拉应力σk＝625MPa，张拉力503kN。竖向预应力在箱梁0#、1#～7#（1′#～7′#）梁段纵向布置间距25～50cm不等，在8#～9#（8′#～9′#）梁段纵向布置间距50～90cm不等，竖向预应力钢筋横桥向每腹板布置一根。

横向预应力采用3Φj15.24钢绞线，纵桥向布置间距35～60cm，锚下控制张拉应力1125MPa，张拉力530kN。

3 主桥上部原结构验算主要情况

采用桥梁博士V3.3建模计算。将箱梁纵向作为平面单元进行离散。根据实际施工过程划分计算阶段。计算结构施工、运营阶段的位移、内力和应力；按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023-85）规定的荷载组合，验算梁体在承载力极限状态下的承载力、正常使用极限状态下的使用性能是否满足要求，结构验算主要结论如下：

（1）箱梁截面抗弯及抗剪承载力满足规范要求。

（2）箱梁截面抗剪尺寸不满足规范要求。

在边跨距梁端19～33m（共长15m）处，中跨距梁端37～56m（共长20m）处，不满足截面抗剪最小尺寸要求，通过计算，要使截面抗剪尺寸满足要求，腹板总厚度需1.1m，即每个腹板至少需增厚10cm。

（3）结构验算截面正拉应力满足预应力混凝土A类构件设计要求。在荷载组合II下，跨中下缘有最大拉应力0.9MPa＜2.34MPa，满足A类预应力混凝土构件要求。

（4）结构验算截面主拉应力不满足规范要求。在荷载组合I下，有最大主拉应力2.2MPa＞2.08MPa，不满足规范要求。

本桥在荷载组合II下，有最大主拉应力2.5MPa＞2.34MPa，不满足规范要求。

主拉应力超限区间位于主跨靠主墩附近约10m长度区间。

4 主桥上部箱梁病害检测情况

在加固设计阶段，对左右幅桥梁均进行检测，两幅桥病害情况类似，以右幅桥为例，阐述主要病害及加固方案。

4.1 右幅桥腹板斜裂缝分布

腹板斜裂缝主要分布在中跨四分点位置处的腹板表面。

中跨右侧边腹板内侧面（图2）四分之一点处5m范围内存在3条斜向裂缝，长度约20～120cm，宽度约0.15mm；四分之三点处7m范围内存在5条斜向裂缝，长度20～110cm，裂缝最大宽度约0.15mm。

中跨中腹板右侧面（图3）四分之一点处7m范围内存在4条斜向裂缝，长度约30～160cm，最大宽度约0.15mm；四分之三点处8m范围内存在6条斜向裂缝，长度30～140cm，裂缝最大宽度约0.15mm。

中跨中腹板左侧面（图4）四分之一点处6m范围内存在6条斜向裂缝，长度约10～160cm，最大宽度约0.15mm；四分之三点处10m范围内存在12条斜向裂缝，长度8～160cm，裂缝最大宽度约0.20mm。

中跨左侧边腹板内侧面（图5）四分之一点处存在2条斜向裂缝，长度约70cm，宽度约0.15mm；四分之三点处10m范围内存在10条斜向裂缝，长度15～160cm，裂缝最大宽度约0.20mm。

4.2 右幅桥底板裂缝

右幅主桥底板箱梁纵向裂缝较多，3跨底板共58条底板纵向缝，裂缝宽度0.1～0.2mm。

（1）右幅大桩号侧边跨底板裂缝

纵向裂缝约15条，长度约1.0～3.9m，最大宽度约为0.2mm。右幅大桩号侧边跨底板裂缝分布见图6。

（2）右幅中跨底板裂缝分布

中跨大桩号侧的半跨存在梁底纵向裂缝，小桩号侧半跨未发现纵向裂缝病害。中跨大桩号侧约有9条纵向裂缝，长度0.5～2.5m，最大宽度约为0.1mm。右幅中跨箱梁底板纵向裂缝分布如图7所示。

（3）右幅小桩号侧边跨底板裂缝

约存在34条纵向裂缝，长度0.5～4.0m，最大宽度约为0.2mm。右幅小桩号侧边跨底板裂缝分布见图8。

4.3 箱梁主要裂缝成因分析

（1）腹板斜向裂缝：桥梁采用的设计规范及设计标准偏低，箱梁腹板厚度尺寸明显偏薄，箱梁纵向腹板无下弯钢束，以及车辆超载等作用，使得箱梁腹板抗剪严重不足，促使腹板斜裂缝发生，理论计算也验证了这一结果。

（2）箱梁底板纵向裂缝：引起底板纵向裂缝的原因较多，如底板内横向受力钢筋配置不足、波纹管保护层厚度不够、预应力钢束锚固位置在预应力的作用下产生底板略呈外斜的纵向裂缝、箱梁底板曲线预应力束对底板混凝土产生向下的径向荷载作用而引起底板纵向裂缝等。根据现场该大桥底板纵向裂缝特点，分析主要是由于波纹管保护层厚度不够引起的。

5 维修加固方案

鉴于该桥病害较多，局部构造尺寸不足的情况，如果完全按照新的设计规范要求对其进行维修加固，代价大，收效不一定好。为此，加固的原则是：在现有结构基础上，采取维修加固措施，提高其抗剪承载能力，增强结构耐久性，维持原有荷载标准不变。

针对大桥的病害状况，目前常用的加固方法有：体外预应力、加大截面尺寸以及粘贴钢板或者碳纤维布。加固设计同样需要考虑结构的安全性、耐久性、经济性、施工的可行性等。

加大截面尺寸可提高受损截面的强度、刚度，但会加大结构自重，对结构受力不利，更重要的是，补加的截面仅能分担活载以及其他非恒载作用，加固效果有限。

采用体外预应力加固，可使结构受力有所改善，但是施加体外预应力使得正截面压应力进一步增加，且该桥截面尺寸偏小，体外预应力加固效率相对较低，另外，加固施工难度较大，且加固风险大、费用较高。

在箱梁内部（或外部）粘贴钢板或者碳纤维布，能有效改善结构受力，对主梁现有受力状态影响较小，施工难度相对较小，且便于操作，不中断交通，加固后，梁体外观较好，且加固费用相对较低。

5.1 腹板斜裂缝加固方案

针对本桥计算结果及实际病害状况，若只增大腹板截面尺寸，不粘贴钢板或拉体外束，则只能满足截面尺寸要求，无法进一步提高箱梁截面抗剪承载能力；若仅腹板粘贴钢板或全桥拉体外束，不增加腹板厚度，则无法满足箱梁截面抗剪尺寸，且对结构的耐久性不利。本次加固综合以上三种常用加固方法，采用组合加固法，针对主桥腹板斜裂缝共提出两个加固方案：

方案一：采用增大混凝土截面及粘贴钢板组合方案，在靠主墩纵桥向边跨侧18m、中跨21.75m长度范围内增大腹板厚度，每腹板截面左右侧各增厚10cm，植筋锚固，超高韧性PVA纤维增强水泥基复合材料（ECC）浇注。同时在腹板截面加厚位置处粘贴钢板，钢板厚6mm，每片钢板宽12cm，钢板间垂直距离边跨40cm、中跨15cm。钢板在腹板内外侧分别通过锚栓锚固于现有混凝土中，钢板锚固结束后利用粘钢植筋挂一层表面钢筋网，然后浇注10cmC50超高韧性PVA纤维增强水泥基复合材料（ECC）。

此方案对结构受力影响较小，截面厚度增加，增加截面抗剪面积，同时粘贴的钢板可以进一步提高箱梁的抗剪承载能力。

方案二：采用增大混凝土截面及体外预应力加固，混凝土截面增大方案同方案一，体外预应力束半幅桥共张拉8束，边跨分两个断面锚固，以减小箱梁局部过大应力，钢绞线采用17Φs15.2环氧喷涂无粘结钢绞线。

从已有工程实践，方案一实施效果较好，方案二体外束加固有一定风险，且后期体外束会存在应力松弛损失。

综合各方面考虑，推荐采用增大混凝土截面及粘贴钢板组合方案。

5.2 底板纵向裂缝加固方案

根据分析，底板裂缝主要由于波纹管保护层厚度不够引起的。对于宽度小于0.15mm的裂缝，用裂缝封闭进行处理；对于宽度大于或等于0.15mm，进行灌缝处理，以保证在正常使用状况下混凝土内钢筋不致锈蚀，恢复截面整体刚度，保证混凝土结构的耐久性。

6 结语

从上世纪90年代一座典型的变截面连续梁桥设计开始，通过对其进行结构验算，发现结构中存在的不足，并结合现场调查出现的桥梁病害，分析病害产生的原因，提出加固改造的方法，为类似工程提供借鉴。