30m先简支后连续小箱型梁旧桥加固方案分析

杨建锋 李油油 张鸿志

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 451450）

0 引言

19 世纪20 世纪初，我国掀起了高速公路建设的高潮，在当时的社会经济条件下，基于《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023-85）和《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-89）等公路桥梁设计规范，30m 先简支后连续小箱梁，为省级干道和高速公路上的常见桥型，因其高跨比及施工便意性等特点，该桥型结构在中小桥中占比较高。随着交通事业的快速发展和相关规范的更新，桥梁荷载等级由原来的车队荷载变为车道荷载，较现行规范，原桥梁的安全储备降低；此外，部分桥梁辅助构件的配置不足，导致桥梁在运营期间会出现各种结构性病害，且随着服役时间的增长桥梁会出现预应力损失现象，加重桥梁病害，导致桥梁安全性降低。为了适应现交通情况，满足现规范要求，目前新建30m 先简支后连续小箱梁承载能力和安全储备都有所增加，30m 先简支后连续桥梁通用图在梁高不变的情况下，跨中横断面腹板由原来的18cm 厚变为20cm，中跨钢束由原来的28 根，增加为36 根；边跨钢束由原来的36 根，增加为40 根，横隔板由0 片，变为3 片。为使现役30m 先简支后连续小箱梁满足现交通要求，需对现状出现结构性病害的桥梁进行加固。现役30m 先简支后连续小箱梁结构性病害治理及承载力有效的提升方案还在研究中，本文以大广高速公路周口南互通立交桥实际加固工程案例，作为30m先简支后连续小箱型梁旧桥加固方案分析对象，希望能为桥梁加固行业起到一些参考价值。

1 桥梁概况

周口南互通立交桥位于大广高速公路（G45）K2082+845 公里处，桥梁全长为886m，桥跨结构为左幅(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，桥面铺装类型为沥青混凝土，本桥第二联上部构造为现浇预应力混凝土连续箱梁，第一、第三联上部为装配式部分预应力混凝土连续箱梁。下部桥台为肋板式，钻孔灌注桩基础，桥墩为柱式，钻孔灌注桩基础。此桥由左右两幅组成，桥面净宽2×12.0m。设计荷载：汽车-超20 级，挂车-120。

2 病害及原因分析

2.1 桥梁病害

2020 年3 月，在定期检查基础上，通过对裂缝深度、混凝土强度、碳化深度等进行了专项检测，该桥右幅桥梁技术状况评为三类。桥梁主要病害为部分梁体跨中的U 型、横向、竖向裂缝，裂缝深度已超过保护层厚度，裂缝最深处已经超过70mm，裂缝宽度大多超过0.2mm，桥梁病害情况如下图所示。桥梁承载力已经不再满足原设计规范要求，亦不满足现规范公路I 级荷载要求。

桥梁病害图

2.2 病害原因分析

1）装配式预应力混凝土连续箱梁跨中区域出现U 形、横向和竖向裂缝，最根本原因是跨中区域截面抗弯承载能力不足，属于预应力不足导致，本项目小箱梁跨中产生横竖向、U 形裂缝，且部分裂缝深度已超过钢筋保护层，说明构件已由部分预应力A 类构件发展到B 类构件。造成抗弯承载能力不足的主要原因如下：

a）规范迭代：该桥原设计规范为汽超20 挂120，现在规范为公路I 级荷载，荷载变化导致桥梁的安全储备降低，部分桥梁甚至不满足公路I 级荷载对应的承载能力，在这种超限荷载长期运营下，导致桥梁出现结构性裂缝

b）结构设计的差异；原设计中30m 小箱梁并没有设置横隔板，各梁之间很难做到协同工作，在超限荷载下长期运营导致单梁出现结构性病害。

c）预应力损失：项目桥梁运营年限久，箱梁负弯矩处的预应力损失出现频率较高，负弯矩预应力损失，会直接导致梁体跨中出现U 型裂缝，呈现出承载力不足现象。

3 加固改造方案

3.1 加固改造原则

本次加固设计方案以恢复构件使用功能、对现状病害梁体恢复承载能力、保障结构安全性和耐久性为目的[1]。

设计中区分构件结构性病害与非结构性病害，对非结构性病害的构件维修方案以恢复使用功能和耐久性为主；对结构性病害以及受力构件，加固以恢复构件使用功能和承载能力为主要措施。

3.2 混凝土破损、开裂处治方案

非结构性裂缝[1]可在清洗完混凝土表面杂质及缝内杂质后，按照《公路桥梁加固设计规范》（JTG/TJ22-2008）第16.3 条要求，裂缝宽度≥0.15mm的裂缝采用压力灌注法进行修补，裂缝宽度＜0.15mm 的裂缝采用表面封闭法进行修补。

混凝土破损、露筋均为局部病害[2]，属非结构性病害。维修以抑制病害发展、增强结构的耐久性为目的。破损部位凿除表面已松动、损坏的混凝土，用环氧砂浆进行修补，新补的材料要密实，与原结构结合牢固。对已出现露筋、保护层剥落时，先将松动的保护层凿去，清除锈迹，再用环氧砂浆修补。

混凝土破损、开裂等病害的维修施工须在结构性加固方案之前完成。

3.3 横向联系加固

主梁横向联系通过，添加横隔板方案加固，在主梁跨中和四分点进行添加，加固方案如下图所示

横隔板加固图

3.4 梁体结构加固方案

针对现状桥梁的抗弯承载力不足，常用的加固方式有：体外预应力钢束[4]、预应力碳纤维板、粘贴钢板、粘贴纤维复合材料等方式。本次加固方案根据梁体的裂缝严重程度和挠度进行选择，其中粘贴钢板、纤维复合材料为被动加固，在加固时不改变梁体受力状态，不承受主梁自重，只承受活载，不适用于本次加工工程。体外预应力束、预应力碳纤维板加固时，可改变梁体受力状态，承受梁体自重和活载，适合本次加固工程。

经查阅原设计及竣工图纸，本桥上部结构均为部分预应力混凝土A 类构件，按原设计及规范要求在作用频遇组合下正截面受拉边缘拉应力不超过规定限值，不允许出现裂缝。预应力碳纤维板加固面有限，不能满足本桥承载力提升所需的加固碳纤维板数；体外预应力钢束可满足本次承载力提升加固方案，故本设计推荐采用体外预应力束加固方案。

体外预应力束与预应力碳纤维板加固方案对比表

4 加固效果

项目组采用Midascivil2017 程序，以周口南互通立交桥7x30 米预应力简支变连续小箱梁建立模型。对现状产生结构裂缝的梁体按照JTJ 023-85 规范汽超20 级，挂车-120 荷载等级下预应力损失10%按部分预应力混凝土B 类受弯构件进行了模拟（裂缝产生在跨中1/3 跨径长范围）；对设置6 根体外预应力加固后的结构，按照部分预应力混凝土A 类受弯构件进行了验算。验算结果及结构计算结论如下表所示：

计算数据对比表

5 加固后评价

该项目实施后，桥梁受力性能得到改善，有效消除了桥梁上部受力结构的三、四类部件。根据管理单位提供最新的检测报告，该桥现状技术状况评定为一类，未见梁体发展或出现新的结构性病害，加固设计取得良好效果。

6 结论

1）30m 先简支后连续小箱梁旧桥主梁U 型裂缝，是由于桥梁横向联系不足和纵向预应力损失等多方面导致。

2）30m 先简支后连续小箱梁旧桥同跨多片主梁出现多处U 型裂缝时，对其进行承载力改善加固时，还应考虑主梁的横向加固。

3）在对主梁进行加固时，应根据目标桥梁病害情况，分析清楚病害原因，对各种加固方案进行对比，选出最优加固方案。

4）体外预应力加固技术可有效改善病害桥梁的承载能力，保障桥梁结构在正常使用状态运营。