原太高速K706+547小桥加固设计

邱建冬

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 桥梁现状及病害成因

该桥于1998年9月建成通车，桥梁右前夹角为110°，上部结构采用1-16 m预应力混凝土空心板结构，下部结构采用重力式桥台。桥面净宽12 m；设计荷载为汽-超20级、挂-120；设计地震烈度为8度。经现场检查发现，该桥桥台完整性较好，发生了整体沉降。随着该桥的逐年下沉和沥青混凝土铺装的找平，现桥面铺装厚度达到40 cm。经检测桥台边缘沿勾缝线发展有梯形裂缝，共发现有2处，长0.5～1.5 m，缝宽0.3～0.5 cm，均位于原平方向西侧桥台处，由于沉降较平缓，裂缝总体上表现的不明显，桥台整体下沉33 cm左右。

桥址区地形较平缓，跨越的沟渠中部局部地段为负地形，大致呈锅底状，雨季排水较为不畅通，并经常存有死水滩，随后几日，缓慢下渗至地下深处。根据原始勘察资料，桥址区0～10.0 m范围内黄土（粉土）具Ⅱ级非自重湿陷性（中等），湿陷系数δs=0.023～0.080，自重系数 δzs=0.015～0.034，自重湿陷量Δzs=6.19 cm，总湿陷量Δs=56.88 cm，桥台基础持力层位于该地层上，虽采用0.5 m厚灰土垫层进行地基处理，但处理范围仅在基础之下局部范围内，对基础周围地表水的下渗未起防水作用，从而使地表水扩散运移至基础以下湿陷性黄土之中，在荷载作用下，产生湿陷下沉。其下沉速度较为缓慢，且随季节具有一定的规律，在雨季期间，下沉较迅速，雨季后地下水下渗至地表深处时，下沉较为缓慢或停止。

根据地勘报告,基底附加应力为203 kPa，第一层土的平均附加应力+自重应力约为124.5 kPa，大于9.4 m以上土层的湿陷起始压力，故第一层土在上部荷载作用和浸水状态下，0～9.4 m范围内将会产生附加湿陷变形，变形量为56.88-2.46=54.42 cm。据以上综合分析，桥台地基沉降量主要由湿陷变形量和土层压缩变形量组成，其总的变形量为54.42+8.223=62.64 cm，目前已沉降约33 cm，完成总沉降的52.7%，以后还会继续下沉，因此对其进行加固是非常必要的。

2 桥梁的加固处治设计

本文针对其出现的桥台整体沉降的病害提出了两个具体加固方案。

2.1 方案一

a）在原两侧桥台前1.35 m加设双柱式桥墩，形成（1.7+12.6+1.7）m跨径的双悬臂板结构,桥台的支撑作用慢慢消失，新的柱式墩主要起支撑主梁作用，加固方案设计图如图1所示。

图1 加固方案图（方案一）（单位：cm）

b）铲除后期养护逐年增加的沥青混凝土，以减轻上部恒载，利用液压顶升设备将空心板抬升，恢复原桥面的设计标高。

c）在墩顶原铺装层增设一层直径25 mm的钢筋网用以承担墩顶负弯矩。

d）墩盖梁达到设计强度后，顶升主梁，落梁于墩顶支座上，形成双悬臂结构，完成体系转换。

e）将原桥的背墙和侧墙均相应进行加高，原桥台基础周围需做防水封闭处理，以防止其继续渗水下沉。

2.2 方案二

a）先采用直径为127 mm的钻头钻孔，钻孔按梅花型布置，孔间距为1 m，钻孔深度为7 m，要求钻孔必须穿透原桥的扩基底部，用直径为127 mm的PVC管做护壁。

b）通过PVC管将直径为110 mm，长度为8 m钢管桩垂直击打到原桥扩大基础底以下8 m处，利用钢管桩加固原有桥位处的地基，通过桩土复合作用共同承担桥梁的上部荷载，加固方案设计图如图2所示。

图2 加固方案图（方案二）（单位：cm）

c）为了减轻上部的自重，铲除原桥面沥青混凝土铺装25 cm，利用液压顶升设备将主梁进行顶升，梁下垫增高度为25 cm焊接好的槽钢，同时更换原桥支座。

d）待主梁放下与支座紧密结合好后，需对桥台处进行桥面连续的施工，浇筑钢筋混凝土和沥青混凝土，重新摊铺沥青混凝土铺装层。

e）原桥台基础周围需做防水封闭处理，以防止其继续渗水下沉。

3 设计方案比对

针对前述桥梁病害以及现行桥梁规范，为彻底消除隐患，保证现有桥梁的正常使用，本文拟定了两个加固设计方案，如表1所示。

表1 设计方案比选表

4 桥梁结构验算

4.1 设计参数取值

主梁采用C40预应力钢筋混凝土。

a）一期恒载 预应力混凝土容重取26 kN/m3。

b）二期恒载 桥面铺装按照40 cm钢筋混凝土计算，容重取25 kN/m3；外侧防撞护栏取4.2 kN/m；内侧防撞护栏取5.9 kN/m；桥面铺装边板取10 kN/m，中板取12.5 kN/m。

预应力采用低松弛钢绞线，公称直径φs15.2，Ey=1.9×105MPa，fpk=1 500 MPa，单根钢绞线的控制张拉应力为1 125 MPa；预应力钢筋与管道壁的摩擦系数取0.35，预应力锚具回缩值取6 mm。

4.2 横向分布计算

由于结构为装配式空心板，板与板之间采用铰缝连接，所以横向分布系数采用铰接板梁法。

截面参数 Iyy=0.035 m4，Ixx=0.077 m4，计算得到刚度参数γ=0.016，最终得到边板汽车荷载横向分布系数mcq=0.352，故桥面铺装取11.9 kN/m；防撞护栏取1.15 kN/m，所以q二期=13.1 kN/m。

该推荐方案由于结构体系发生了转变，因此对其加固后的结构进行验算是十分必要的。本桥通过有限元软件MIDAS-civil建立边板的模型、加载及计算。单元采用梁单元进行模拟，建立1-16 m的空心板小桥，所建模型共有64个节点，63个单元，边板模型如图3所示。

图3 加固后结构计算模型

用部分A类预应力构件进行分析，按照新《公桥规》[1]对其进行正常使用极限状态应力验算和承载能力极限状态正截面强度验算，计算结果如图4～图10所示。

a）正常使用正截面抗裂验算。

图4 短期组合正截面抗裂上缘应力图（单位：MPa）

图5 短期组合正截面抗裂下缘应力图（单位：MPa）

上缘墩顶附近出现拉应力1.21 MPa＜0.7ftk=0.7×2.4=1.68 MPa要求。

b）正常使用斜截面抗裂验算。

图6 短期组合斜截面主拉应力图（单位：MPa）

墩顶最大拉应力1.21 MPa≤0.7ftk=0.7×2.4=1.68 MPa满足规范要求。

c）正常使用正截面压应力验算。

图7 正常使用截面上缘应力图（单位：MPa）

图8 正常使用截面下缘应力图（单位：MPa）

墩顶附近下缘截面最大压应力9.27 MPa≤0.5fck=0.5×26.8=13.4 MPa满足规范要求。

d）正常使用斜截面主压应力验算。

图9 正常使用斜截面主压应力图（单位：MPa）

墩顶附近截面最大主压应力9.27 MPa＜0.6fck=0.6×26.8=16.1 MPa满足规范要求。

e）使用阶段正截面抗弯能力验算。

图10 使用阶段正截面抗弯能力

在承载能力状况下跨中最大弯矩为1 263.6 kN·m，主梁承载最大弯矩值为1 702.3 kN·m，弯矩储备值为1.3。

通过对该结构进行检算表明：桥梁的承载能力满足现有规范设计荷载的要求。

5 结论

本文通过K706+547小桥整体沉降病害的分析，对其提出了两种加固方案，最终通过造价、施工工艺、加固效果的比较确定方案一为推荐方案。通过MIDAS-civil软件对加固后的桥梁主梁进行了计算分析，根据《公桥规》[1]对其正常使用极限状态应力进行了验算，包括短期效应组合，长期效应组合和基本组合下主梁的应力均满足要求，这说明针对这种病害通过增加桥墩改变原桥的结构体系的加固方案，在理论和实际当中均是合理可行的，对以后该类型桥梁的病害加固提出一定的指导意义。