箱梁现状承载能力验算及加固维修设计研究

迪丽萨尔 • 迪力夏提

摘要：文章以某既有桥梁结构为研究对象，依据现场检测数据及结论，按照恢复桥梁承载能力、增加结构安全储备的原则，提出了采用底板封缝+粘贴纵向钢板加固的主梁维修加固设计方案。对比维修加固前后主梁承载能力的验算结果可知：承载能力极限状态下，加固改造处理后的主梁抗弯承载能力满足设计规范要求，且安全系数均超过1.2，加固效果明显。

关键词：桥梁检测;桥梁病害;桥梁加固设计;承载能力验算

文献标识码：U441+.2-A-30-100-3

0 引言

近年来，随着地区经济的不断发展，各地汽车保有量迅速上升，由此给道路桥梁等基础设施的运营带来较大压力。道路使用性能衰减速度加快，病害种类呈多样化，管养部门养护压力剧增，安全隐患明显增多，突发交通安全事故数量也在逐年上升，给人民生命财产造成了较大损失。因此，对既有桥梁结构采取科学合理的维修加固措施，恢复承载能力、消除安全隐患问题已刻不容缓，其对改善道路使用性能具有重要意义。

目前，国内外桥梁检测、加固维修设计、施工技术发展已较为成熟，姜明映[1]结合实际工程案例，采用有限元软件仿真模拟分析了桥梁加固前后结构的力学响应状态，加固处理结果显示效果较好。于继书[2]对钢筋混凝土简支矩形板桥进行了研究，针对全桥病害种类进行汇总，分类提出处理措施和加固设计方案。谢圣纲[3]针对桥梁病害及实际使用状况，分别从加固原则、施工流程、加固设计等方面提出桥梁结构病害整治设计方案，加固后检测结果满足设计要求，为其他类似桥梁的加固提供参考。

根据桥梁现场检测报告，对梁体病害分类汇总、等级评定，再将原结构抗弯和抗剪承载力进行验算，分析病害产生原因，并提出维修加固设计方案，最后对加固后的结构进行验算，检查其是否满足规范要求，为桥梁加固设计提供参考。

1 工程概况

某桥梁全长193.04 m，上部结构为2联3孔30 m箱型连续梁，结构断面由4片梁及3道铰缝组成。箱梁高1.4 m，梁间距为3 m，跨中截面位置处板梁顶板厚14 cm，底板厚14 cm，腹板厚14 cm;支点截面位置处板梁顶板厚14 cm，底板厚24 cm，腹板厚24 cm。主梁为40#混凝土，预应力钢丝采用符合《预应力混凝土结构用碳素钢丝》（YB255-64）标准的冷拔碳素钢丝，桥面铺装为6 cm厚沥青混凝土，桥面宽度为11 m+2×0.5 m（防撞护栏），设计荷载为汽-20，挂-100。

2 主梁服役状况及检测结果

2.1 病害类型及现状

经调查，主梁主要包括4种病害：梁底纵向裂缝、腹板纵向裂缝、主梁竖向及横向裂缝、主梁局部破损。

上部结构共有6片主梁底面或腹板存在纵向裂缝，部分裂缝伴有渗水痕迹，该纵缝基本对应于主梁空腔底面或预应力筋位置处，最大裂缝宽度为0.14 mm，应为主梁混凝土自身收缩产生的裂缝;10片主梁腹板存在竖向裂缝，裂缝均上部到顶，下部到底，部分裂缝伴有渗水痕迹，最大裂缝宽度为0.16 mm，裂缝暂未超过规范限值;2-1#主梁底面有9条横向裂缝，裂缝宽度为0.14 mm，不满足预应力混凝土梁规定的梁底不允许出现横向裂缝的要求，该裂缝位于主梁跨中，应为主梁正弯矩裂缝;8道梁间湿接缝存在渗水、泛白现象。

2.2 检测结果评定

依据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011）有关桥梁技术状况评定要求和注意事项，对该桥进行评定类别划分，确定技术状况，具体评定类别见表1。

根据运营阶段公路桥梁技术状况评定等级的有关规定，该桥上部结构技术状况评定为3类。

3 结构计算分析

3.1 原结构受力验算

3.1.1 计算参数

主梁混凝土等级为C40，高强钢丝弹性模量为20 GPa，锚具变形回缩值为6 mm，波纹管摩阻系数选取0.17。

荷载组合一：1.2×恒载+1.4×汽-20;

荷载组合二：1.2×恒载+1.1×挂-100。

3.1.2 计算结果

（1）抗弯验算

根据有限元模型计算得到不同荷载组合下主梁内力值。下页表2为承载能力极限状态主梁抗弯验算结果。

（2）抗剪验算

根据有限元模型计算得出不同荷载组合下的主梁内力值。表3为承载能力极限状态主梁抗剪验算结果。

根据以上验算结果，原桥结构设计满足规范要求。

3.2 旧桥验算

根据检测报告可知该桥总体技术状况评定等级为3类，对该桥有横向裂缝病害的主梁进行合理的折减，以评估其目前的承载能力。结合桥梁检测评估结论，引入承载能力折减系数（含承载能力检算系数Z1和承载能力恶化系数ξe，取值见表4），用以评估结构实际承载力相对设计结构承载力的削弱。根据规范要求，配筋混凝土桥梁承载能力极限状态的验算结果，按式（1）进行计算评定：

γ0S≤R（fd，ζcαdc，ζsαds）Z1（1-ζe）（1）

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011），对旧桥进行折减，计算得到承载能力极限状态主梁控制截面抗弯验算结果见表5。

验算结果显示不满足规程要求，部分梁体中出现横向裂缝的主梁抗弯承载能力不足，存在安全隐患，需要加固处理。

3.3 病害成因分析

通过对该桥各类病害的统计分析，结合国内相关同类桥梁的病害分析資料可知，该桥主要病害产生的原因如下：

（1）预制箱梁底板纵向裂缝可能是由于预制箱梁养生期间内外温差过大引起底板出现较大拉应力，加上纵向预应力泊松效应引起底板产生横向拉应力，造成预制箱梁底板出现纵向裂缝。

（2）部分梁体可能因为施工质量等问题，表现出抗弯承载力不足的情况。

（3）交通量的增加、超载车的作用也是造成箱梁裂缝的重要原因。

4 维修加固方案

（1）当裂缝宽度<0.15 mm时，其对结构内部钢筋锈蚀的影响较小，故仅对此类型裂缝进行表面封闭;当裂缝宽度>0.15 mm时，其对结构内部钢筋锈蚀影响较大，对此类裂缝首先开设V槽，然后将V槽封闭并进行压力灌浆处理。对于锈胀裂缝，将松动开裂的混凝土凿去，再进行钢筋表面除锈，用高性能复合水泥砂浆防护。

（2）全桥破损、露筋处先凿除其表面疏松的混凝土，对暴露的钢筋进行除锈后用高性能复合水泥砂浆修复。

（3）对经验算承载能力不足的主梁，底板裂缝封闭后粘贴钢板，恢复桥梁主受力结构承载能力。

（4）对有渗水的箱梁进行打孔排水，打孔位置按照箱梁一般构造进行。

选用Q345钢板对主梁进行加固，提高抗弯承载能力。加固后承载能力按现行《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22-2008）规定进行计算，借助有限元模型，考虑活载影响修正系数，分别计算组合一和组合二下的主梁内力，以验算主梁加固效果。其截面加固计算结果如表6所示。

从表6计算结果可以看出，主梁加固后承载能力满足规范要求，且有一定的安全储备。

5 结语

（1）根据检测报告可知，该桥梁上部结构技术状况评定等级为3类。借助有限元模型，对维修加固前原设计和旧桥结构受力进行验算，旧桥个别主梁抗弯承载能力不足，结构使用性能退化严重，存在较大运营安全隐患。

（2）当主梁承载能力不足时，采用底板封缝+粘贴纵向钢板的形式进行加固处理。

（3）承载能力极限状态下，加固改造处理后的主梁抗弯承载能力满足设计规范要求，且安全系数均>1.2。

参考文献

[1]姜明映.某特大桥下部结构病害静载试验与加固设计方案研究[J].公路交通科技（应用技术版），2020，16（7）：210-214.

[2]于继书.钢筋混凝土简支矩形板桥检测与加固设计研究[J].黑龙江交通科技，2019，42（7）：131-132.

[3]谢圣纲.某桥梁病害整治及加固设计[J].城市道桥与防洪，2018（8）：235-236，255.

收稿日期：2021-03-08

作者简介：

迪麗萨尔·迪力夏提（1994—），助理工程师，主要从事道路桥梁设计工作。