G312國(guó)道某大橋加固設(shè)計(jì)方案

袁曉燕，秦向杰

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 南京市 210096）

近年來(lái)，隨著交通量的增長(zhǎng)和使用年限的增加，建成橋梁的病害也逐漸增多。特別是上世紀(jì)八十、九十年代建成的橋梁，在使用中出現(xiàn)越來(lái)越多的病害。究其原因，存在多方面因素：從設(shè)計(jì)角度分析，存在結(jié)構(gòu)分析手段不足、對(duì)結(jié)構(gòu)特性認(rèn)知有限，新舊規(guī)范體系差異等問(wèn)題；從施工角度分析，存在施工工藝水平不夠，施工質(zhì)量欠缺等問(wèn)題；從使用角度分析，超載嚴(yán)重，養(yǎng)護(hù)管理不夠及時(shí)等問(wèn)題，上述各種因素都會(huì)對(duì)橋梁使用壽命形成不利影響。

1 工程概況

某大橋位于G312江蘇境內(nèi)，橋梁跨越IV級(jí)航道京杭運(yùn)河（通航孔尺寸50×7m）。橋梁全長(zhǎng)210m，跨徑布置為（2×20）m+（35+60+35）m+（2×20）m，其中主橋（35+60+35）m跨越京杭運(yùn)河。橋面全寬30.0m，兩幅橋并列，中間設(shè)變形縫?，F(xiàn)狀橋面橫向布置為：2.0m（人行道及欄桿）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車(chē)道）+8.75m（機(jī)動(dòng)車(chē)道）+1.5m（中分帶）+8.75m（機(jī)動(dòng)車(chē)道）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車(chē)道）+2.0m（人行道及欄桿）＝30.0m。主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，引橋?yàn)榭招陌辶簶颉?/p>

2 主橋橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋單幅橋?yàn)閱蜗潆p室直腹板截面，箱梁頂板寬度為15m，底板寬8m，懸臂長(zhǎng)3.5m。頂板厚0.30m，底板厚度為0.25m。箱梁梁高1.8～3.2m，兩個(gè)邊腹板厚30cm，中腹板厚度20cm。主橋箱梁設(shè)置縱向、豎向、橫向三向預(yù)應(yīng)力鋼束，縱向鋼束分為墩頂懸澆頂板束、邊跨底板束及中跨底板束，采用24Φ5碳素鋼絲，縱向鋼束張拉控制應(yīng)力為1065MPa。

豎向預(yù)應(yīng)力采用冷拉四級(jí)圓鋼筋，直徑32mm，控制張拉應(yīng)力σk＝625MPa，張拉力503kN。豎向預(yù)應(yīng)力在箱梁0#、1#～7#（1′#～7′#）梁段縱向布置間距25～50cm不等，在8#～9#（8′#～9′#）梁段縱向布置間距50～90cm不等，豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋橫橋向每腹板布置一根。

橫向預(yù)應(yīng)力采用3Φj15.24鋼絞線，縱橋向布置間距35～60cm，錨下控制張拉應(yīng)力1125MPa，張拉力530kN。

3 主橋上部原結(jié)構(gòu)驗(yàn)算主要情況

采用橋梁博士V3.3建模計(jì)算。將箱梁縱向作為平面單元進(jìn)行離散。根據(jù)實(shí)際施工過(guò)程劃分計(jì)算階段。計(jì)算結(jié)構(gòu)施工、運(yùn)營(yíng)階段的位移、內(nèi)力和應(yīng)力；按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 023-85）規(guī)定的荷載組合，驗(yàn)算梁體在承載力極限狀態(tài)下的承載力、正常使用極限狀態(tài)下的使用性能是否滿足要求，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算主要結(jié)論如下：

（1）箱梁截面抗彎及抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

（2）箱梁截面抗剪尺寸不滿足規(guī)范要求。

在邊跨距梁端19～33m（共長(zhǎng)15m）處，中跨距梁端37～56m（共長(zhǎng)20m）處，不滿足截面抗剪最小尺寸要求，通過(guò)計(jì)算，要使截面抗剪尺寸滿足要求，腹板總厚度需1.1m，即每個(gè)腹板至少需增厚10cm。

（3）結(jié)構(gòu)驗(yàn)算截面正拉應(yīng)力滿足預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)要求。在荷載組合II下，跨中下緣有最大拉應(yīng)力0.9MPa＜2.34MPa，滿足A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求。

（4）結(jié)構(gòu)驗(yàn)算截面主拉應(yīng)力不滿足規(guī)范要求。在荷載組合I下，有最大主拉應(yīng)力2.2MPa＞2.08MPa，不滿足規(guī)范要求。

本橋在荷載組合II下，有最大主拉應(yīng)力2.5MPa＞2.34MPa，不滿足規(guī)范要求。

主拉應(yīng)力超限區(qū)間位于主跨靠主墩附近約10m長(zhǎng)度區(qū)間。

4 主橋上部箱梁病害檢測(cè)情況

在加固設(shè)計(jì)階段，對(duì)左右幅橋梁均進(jìn)行檢測(cè)，兩幅橋病害情況類似，以右幅橋?yàn)槔?，闡述主要病害及加固方案。

4.1 右幅橋腹板斜裂縫分布

腹板斜裂縫主要分布在中跨四分點(diǎn)位置處的腹板表面。

中跨右側(cè)邊腹板內(nèi)側(cè)面（圖2）四分之一點(diǎn)處5m范圍內(nèi)存在3條斜向裂縫，長(zhǎng)度約20～120cm，寬度約0.15mm；四分之三點(diǎn)處7m范圍內(nèi)存在5條斜向裂縫，長(zhǎng)度20～110cm，裂縫最大寬度約0.15mm。

中跨中腹板右側(cè)面（圖3）四分之一點(diǎn)處7m范圍內(nèi)存在4條斜向裂縫，長(zhǎng)度約30～160cm，最大寬度約0.15mm；四分之三點(diǎn)處8m范圍內(nèi)存在6條斜向裂縫，長(zhǎng)度30～140cm，裂縫最大寬度約0.15mm。

中跨中腹板左側(cè)面（圖4）四分之一點(diǎn)處6m范圍內(nèi)存在6條斜向裂縫，長(zhǎng)度約10～160cm，最大寬度約0.15mm；四分之三點(diǎn)處10m范圍內(nèi)存在12條斜向裂縫，長(zhǎng)度8～160cm，裂縫最大寬度約0.20mm。

中跨左側(cè)邊腹板內(nèi)側(cè)面（圖5）四分之一點(diǎn)處存在2條斜向裂縫，長(zhǎng)度約70cm，寬度約0.15mm；四分之三點(diǎn)處10m范圍內(nèi)存在10條斜向裂縫，長(zhǎng)度15～160cm，裂縫最大寬度約0.20mm。

4.2 右幅橋底板裂縫

右幅主橋底板箱梁縱向裂縫較多，3跨底板共58條底板縱向縫，裂縫寬度0.1～0.2mm。

（1）右幅大樁號(hào)側(cè)邊跨底板裂縫

縱向裂縫約15條，長(zhǎng)度約1.0～3.9m，最大寬度約為0.2mm。右幅大樁號(hào)側(cè)邊跨底板裂縫分布見(jiàn)圖6。

（2）右幅中跨底板裂縫分布

中跨大樁號(hào)側(cè)的半跨存在梁底縱向裂縫，小樁號(hào)側(cè)半跨未發(fā)現(xiàn)縱向裂縫病害。中跨大樁號(hào)側(cè)約有9條縱向裂縫，長(zhǎng)度0.5～2.5m，最大寬度約為0.1mm。右幅中跨箱梁底板縱向裂縫分布如圖7所示。

（3）右幅小樁號(hào)側(cè)邊跨底板裂縫

約存在34條縱向裂縫，長(zhǎng)度0.5～4.0m，最大寬度約為0.2mm。右幅小樁號(hào)側(cè)邊跨底板裂縫分布見(jiàn)圖8。

4.3 箱梁主要裂縫成因分析

（1）腹板斜向裂縫：橋梁采用的設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，箱梁腹板厚度尺寸明顯偏薄，箱梁縱向腹板無(wú)下彎鋼束，以及車(chē)輛超載等作用，使得箱梁腹板抗剪嚴(yán)重不足，促使腹板斜裂縫發(fā)生，理論計(jì)算也驗(yàn)證了這一結(jié)果。

（2）箱梁底板縱向裂縫：引起底板縱向裂縫的原因較多，如底板內(nèi)橫向受力鋼筋配置不足、波紋管保護(hù)層厚度不夠、預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置在預(yù)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生底板略呈外斜的縱向裂縫、箱梁底板曲線預(yù)應(yīng)力束對(duì)底板混凝土產(chǎn)生向下的徑向荷載作用而引起底板縱向裂縫等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)該大橋底板縱向裂縫特點(diǎn)，分析主要是由于波紋管保護(hù)層厚度不夠引起的。

5 維修加固方案

鑒于該橋病害較多，局部構(gòu)造尺寸不足的情況，如果完全按照新的設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)其進(jìn)行維修加固，代價(jià)大，收效不一定好。為此，加固的原則是：在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采取維修加固措施，提高其抗剪承載能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性，維持原有荷載標(biāo)準(zhǔn)不變。

針對(duì)大橋的病害狀況，目前常用的加固方法有：體外預(yù)應(yīng)力、加大截面尺寸以及粘貼鋼板或者碳纖維布。加固設(shè)計(jì)同樣需要考慮結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性、施工的可行性等。

加大截面尺寸可提高受損截面的強(qiáng)度、剛度，但會(huì)加大結(jié)構(gòu)自重，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，更重要的是，補(bǔ)加的截面僅能分擔(dān)活載以及其他非恒載作用，加固效果有限。

采用體外預(yù)應(yīng)力加固，可使結(jié)構(gòu)受力有所改善，但是施加體外預(yù)應(yīng)力使得正截面壓應(yīng)力進(jìn)一步增加，且該橋截面尺寸偏小，體外預(yù)應(yīng)力加固效率相對(duì)較低，另外，加固施工難度較大，且加固風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用較高。

在箱梁內(nèi)部（或外部）粘貼鋼板或者碳纖維布，能有效改善結(jié)構(gòu)受力，對(duì)主梁現(xiàn)有受力狀態(tài)影響較小，施工難度相對(duì)較小，且便于操作，不中斷交通，加固后，梁體外觀較好，且加固費(fèi)用相對(duì)較低。

5.1 腹板斜裂縫加固方案

針對(duì)本橋計(jì)算結(jié)果及實(shí)際病害狀況，若只增大腹板截面尺寸，不粘貼鋼板或拉體外束，則只能滿足截面尺寸要求，無(wú)法進(jìn)一步提高箱梁截面抗剪承載能力；若僅腹板粘貼鋼板或全橋拉體外束，不增加腹板厚度，則無(wú)法滿足箱梁截面抗剪尺寸，且對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性不利。本次加固綜合以上三種常用加固方法，采用組合加固法，針對(duì)主橋腹板斜裂縫共提出兩個(gè)加固方案：

方案一：采用增大混凝土截面及粘貼鋼板組合方案，在靠主墩縱橋向邊跨側(cè)18m、中跨21.75m長(zhǎng)度范圍內(nèi)增大腹板厚度，每腹板截面左右側(cè)各增厚10cm，植筋錨固，超高韌性PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（ECC）澆注。同時(shí)在腹板截面加厚位置處粘貼鋼板，鋼板厚6mm，每片鋼板寬12cm，鋼板間垂直距離邊跨40cm、中跨15cm。鋼板在腹板內(nèi)外側(cè)分別通過(guò)錨栓錨固于現(xiàn)有混凝土中，鋼板錨固結(jié)束后利用粘鋼植筋掛一層表面鋼筋網(wǎng)，然后澆注10cmC50超高韌性PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（ECC）。

此方案對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較小，截面厚度增加，增加截面抗剪面積，同時(shí)粘貼的鋼板可以進(jìn)一步提高箱梁的抗剪承載能力。

方案二：采用增大混凝土截面及體外預(yù)應(yīng)力加固，混凝土截面增大方案同方案一，體外預(yù)應(yīng)力束半幅橋共張拉8束，邊跨分兩個(gè)斷面錨固，以減小箱梁局部過(guò)大應(yīng)力，鋼絞線采用17Φs15.2環(huán)氧噴涂無(wú)粘結(jié)鋼絞線。

從已有工程實(shí)踐，方案一實(shí)施效果較好，方案二體外束加固有一定風(fēng)險(xiǎn)，且后期體外束會(huì)存在應(yīng)力松弛損失。

綜合各方面考慮，推薦采用增大混凝土截面及粘貼鋼板組合方案。

5.2 底板縱向裂縫加固方案

根據(jù)分析，底板裂縫主要由于波紋管保護(hù)層厚度不夠引起的。對(duì)于寬度小于0.15mm的裂縫，用裂縫封閉進(jìn)行處理；對(duì)于寬度大于或等于0.15mm，進(jìn)行灌縫處理，以保證在正常使用狀況下混凝土內(nèi)鋼筋不致銹蝕，恢復(fù)截面整體剛度，保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

6 結(jié)語(yǔ)

從上世紀(jì)90年代一座典型的變截面連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)開(kāi)始，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中存在的不足，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查出現(xiàn)的橋梁病害，分析病害產(chǎn)生的原因，提出加固改造的方法，為類似工程提供借鑒。