大跨径连续刚构桥损伤评估及加固设计方法

■ 文/供图｜中交基础设施养护集团有限公司 宋浩 徐英雷 夏兴佳 郭河

沙坡头黄河特大桥 宁夏公路管理中心 供图

连续刚构桥兼具连续梁桥和T形刚构桥的优点，具有更大的跨越能力，行车舒适性更佳，该类桥型在全国乃至世界范围内得到了广泛的应用和推广。随着我国经济的发展，交通量与日俱增，很多桥梁超负荷运营，出现了各种各样的病害，如跨中持续下挠、跨中底板横向裂缝、腹板斜向裂缝和竖向裂缝等。这些桥梁病害成为公路交通运输的安全隐患，严重威胁了公众的生命和财产安全。如果将这些桥梁拆除重建，不仅造价高昂，而且还会阻碍公众的正常出行，带来较大的负面社会影响。因此，评估桥梁的损伤状态并据此对桥梁进行加固是当前行之有效的方法。

沙坡头黄河特大桥位于宁夏回族自治区中卫市G2012定武高速上，主桥为预应力混凝土连续刚构箱梁桥，跨径组合为（65+2×120+65）米，桥面总宽2×12.5米，设计荷载为“公路-I级”，该桥竣工于2008年10月。本文依托沙坡头黄河特大桥加固工程，结合桥梁检测结果，评估桥梁损伤，并按照包络法进行桥梁加固设计，采取体内预应力加固方法对桥梁实施加固，经验证，这种加固方法对存在类似病害的连续刚构桥梁加固工程具有借鉴意义。

沙坡头黄河特大桥主桥立面图（单位：厘米）

沙坡头黄河特大桥主桥横断面图（单位：厘米）

检测试验查隐患

项目技术团队通过外观检测和荷载试验，找到了沙坡头黄河特大桥箱梁的主要病害，并及时发现了桥梁的承载能力不能满足桥梁设计荷载等级要求的隐患。

外观检测结果

外观检测发现，箱梁的主要病害为跨中附近底板出现大量横向裂缝及延伸到腹板的竖向裂缝，1/4跨附近腹板有少量斜向裂缝，底板有断续纵向裂缝，相比上一年检测结果，裂缝数量增加明显。通过对桥面线形测试结果分析，左右幅主桥线形第二跨、第三跨跨中存在明显下挠，第一跨、第四跨未见明显变形，基本平顺。

荷载试验结果

沙坡头黄河特大桥在与设计荷载等效的试验荷载作用下，满载时主桥右幅第二跨关键测点实测最大挠度校验系数为1.08，最大应变校验系数为1.06，均大于1，因此桥梁承载能力不能满足桥梁设计荷载等级要求。

虽然实测第一阶振型与理论计算较为吻合，但实测第一阶频率（1.13赫兹）略小于理论计算第一阶频率（1.18赫兹），桥梁整体振动特性较差，说明桥梁整体竖向刚度小于原设计刚度。

模拟现状估损伤

对于旧桥加固工程，难点之一就是估计桥梁结构损伤程度，即模拟桥梁结构现状，这需要根据检测结果，采用有限元数值模拟的方法将病害情况反映到桥梁结构中。对于预应力结构，采用刚度折减和预应力额外损失估计的方法进行桥梁损伤评估是目前较为普遍的做法。

由于桥梁上部结构出现裂缝和局部损伤的病害时，桥梁截面的刚度会有所下降，故在建模计算时以结构的原刚度为基础进行加固设计是不恰当的，应对原结构的刚度予以折减，以模拟桥梁的真实刚度现状。桥梁荷载试验是反映结构刚度最为直接和有效的方法，沙坡头黄河特大桥在加固前进行了荷载试验，对静载试验挠度数据和动载试验频率数据的分析表明，桥梁现状结构刚度约为原设计刚度的94%。

折减结构刚度后，再通过预应力额外损失估计的方法模拟桥梁损伤状态，有限元计算中模拟预应力额外损失普遍的做法是降低张拉控制应力，该方法可以起到模拟预应力损失的作用，但是忽略了预应力钢绞线对结构承载力的贡献。本项目模拟预应力额外损失的做法是减小预应力钢绞线面积，而控制应力不变，这一做法兼顾了预应力的损失和结构承载力的降低，可以较为准确地模拟预应力钢绞线锈蚀造成的刚度降低和结构承载能力下降的情况。

主桥箱内腹板加厚位置布设钢筋网及波纹管，原腹板表面凿毛处理。

采用MIDAS/CIVIL有限元软件依据平面杆系理论建立主桥有限元模型，根据荷载试验结果，将主梁刚度按照94%的系数进行折减；根据桥梁裂缝分布情况，竖向预应力损失按50%考虑，并分别按照5%、10%、15%、20%、25%、30%的比例试算纵向预应力额外损失，以估计桥梁实际损伤状态。

桥梁有限元计算模型

结合检测病害情况，依据设计规范进行结构计算，主要控制应力为主跨跨中下缘和中墩上缘正应力、腹板最大主拉应力，将纵向预应力额外损失的6种情况分别与损失前的原桥计算结果进行对比,如下表所示。

各种纵向预应力损失状况下的应力分析对比表（单位兆帕，拉为正，压为负）

根据上述计算结果可知，当预应力损失为20%时，主跨跨中出现3.30兆帕的正应力，超过部分预应力混凝土A类构件的拉应力限值0.7ftk（混凝土抗拉强度标准值）=1.86兆帕，主梁底面和腹板将会开裂。同时根据上述计算结果可知，当预应力损失为20%时，斜截面也出现了1.70兆帕的主拉应力，主梁腹板将会出现斜裂缝。这与“跨中附近底板出现大量横向裂缝及延伸到腹板的竖向裂缝，1/4跨附近腹板有少量斜向裂缝”的情况较为吻合，故以此时状态为桥梁现状。

包络方法固结构

目前，桥梁损伤评定理论不尽完善，结构的真实状态难以全面获得和模拟，因此应引入包络法的设计理念。根据桥梁损伤状态的分析情况，运用计算模型对损伤结构进行包络加固设计，包络设计的上限为原设计结构状态完好，主要控制压应力，以防止补充预应力过多而导致混凝土压坏；包络设计的下限为预应力损失30%、刚度折减94%的损伤状态，主要控制拉应力，以防止补充预应力不足而无法达到加固效果。

根据外观检测结果，沙坡头黄河特大桥存在大量竖向、横向和纵向裂缝，且较2015年均有所扩展。根据荷载试验结果，沙坡头黄河特大桥刚度有所下降，承载能力不足。根据桥梁损伤计算结果，沙坡头黄河特大桥跨中预应力存在一定损失、压应力储备不足，在恒载、预应力及车辆荷载作用下，造成底板跨中下缘开裂，裂缝的出现又削弱了箱梁跨中刚度，降低了结构承载能力。为了抑制裂缝开展，恢复原结构刚度，同时提高承载力，本项目采取体内预应力辅以增大截面的主动加固方法。

腹板加厚位置混凝土采用分层浇筑。

此次加固设计是基于主控模型模拟的桥梁现状进行分析计算的。在箱梁内部腹板每侧加厚17厘米混凝土，并设置3对15-16腹板束F1、F2、F3，在11号墩顶交错锚固，10、11、12号墩顶设置两对腹板下弯束F4、F5，恢复主梁承载力和刚度，改善箱梁受力。腹板加厚混凝土采用C50自密实混凝土，预应力钢束采用16φs15.2钢绞线，张拉控制应力为1395兆帕，波纹管采用塑料波纹管，锚具采用15-16型锚具。

主桥箱内腹板加厚及钢束断面布置图

承载能力极限状态基本组合下主梁控制截面内力验算表

由上表可知，加固后桥梁承载能力均有所提高，主梁截面抗力值均大于基本组合作用下的内力值，承载能力极限状态满足规范要求。

由下表可知，采用包络法加固设计后，当无纵向预应力损失时，加固后最大主压应力为16.18兆帕，小于规范规定值19.44兆帕，满足规范关于混凝土主压应力验算的要求；当纵向预应力额外损失20%时，加固后跨中正截面受压，压应力为1.08兆帕，小于0，满足规范关于正截面抗裂验算的要求，主拉应力为0.38兆帕，小于规范规定值1.06兆帕，满足全预应力混凝土构件斜截面抗裂验算的要求；当纵向预应力额外损失30%，加固后跨中附近正应力会出现0.88兆帕的拉应力，但是小于1.855兆帕，满足规范关于A类预应力混凝土构件抗裂验算的要求，主拉应力为1.25兆帕，小于1.325兆帕，满足规范关于A类预应力混凝土构件斜截面抗裂验算的要求。

沙坡头黄河特大桥立面照片

正常使用极限状态应力验算对比表（单位：兆帕，拉为正，压为负）

以上计算也说明，对刚度不足的桥梁进行加固，采用体内预应力的主动加固方法能起到较好的效果，在提高结构承载能力的同时也恢复了结构的刚度。