低高度宽体连续箱梁桥的加固设计

陈铁军，卓 静

（1.四川西南交大土木工程设计有限公司南京分公司，江苏 南京 210012；2.重庆科技学院，重庆 401331）

0 引言

在我国早期建造的桥梁中，预应力混凝土箱梁桥是数量比较多的桥型，由于多种原因[1]，这类桥梁存在较多病害，主要表现在：a）桥梁主体结构开裂、露筋锈蚀、裂缝宽度大于规范限定值；b）桥梁墩台沉陷、滑动、变形太大；c）桥面铺装层剥离、开裂、桥面防水层失效、伸缩缝损坏；d）其他附属工程病害。对于桥梁工程的附属工程病害及一般病害通常仅需有针对性地进行养护维修即可，但主体结构病害如已危及到结构的正常使用，则必须对其进行加固处理。箱梁桥的主体结构开裂及承载能力不足通常采用体外预应力索加固法，当箱梁高度较低，箱室内无法施工时，在箱梁的底面或侧面安装体外预应力索；当箱梁高度较大，箱室内便于施工时，在箱室内安装体外预应力索。然而，当箱梁桥的跨度不大时（40～100 m），箱梁高度并不大（低于2.0 m），箱室内无法施工（主要因为净空高度较低），而且箱室本身也比较宽（城市或高速公路的单箱宽度超过12 m），而形成低高度宽体箱梁桥。这类宽体箱梁桥在侧面布置体外预应力索，存在预应力集中布置，箱梁因剪力滞效应[2]，预应力分布不均匀等问题。为解决这些困难，文章提出采用分布式预应力碳纤维板加固法，在箱梁底面沿宽度方向均匀布置并粘贴预应力碳纤维板，与箱梁形成有黏结预应力体系，不但解决预应力的集中锚固的缺陷，而且避免体外预应力的震动和疲劳等问题，此外，预应力碳纤维板本身较薄，加固后对结构的外观影响非常小，是一种非常适用于低高度宽体箱梁桥的加固方案。为便于说明分布式预应力碳纤维板加固法，以南京三汊河大桥加固处治工程为例，对分布式预应力碳纤维板和体外预应力两种加固方案进行了对比研究。

1 工程概况

三汊河大桥位于南京市下关区外秦淮河与惠民河交叉处，南北走向，全桥长435.12 m。其中主桥采用（45+60+45）m变截面预应力混凝土连续梁桥，引桥为组合箱梁桥，桥面总宽24 m，单幅宽12 m。

主桥上部结构采用变截面预应力混凝土连续箱梁，墩顶梁高3.8 m，跨中梁高1.8 m，梁高按照抛物线变化。箱梁采用单箱单室截面（如图1），箱梁顶宽12 m，底宽6.5 m，悬臂长2.75 m，顶底板厚25 cm，腹板厚30 cm，墩顶处箱梁腹板渐变为50 cm，底板渐变为60 cm厚。桥梁施工采用悬臂浇筑法完成。对跨中截面，箱梁高度与宽度之比为0.15，是典型的低高度宽体箱梁。

图1 主桥墩顶及跨中横断面（单位：cm）

2 主体结构病害

经检测三汊河大桥主桥边跨合拢段附近存在大量底板横向与腹板斜向裂缝，箱梁顶板普遍存在纵向裂缝，主桥施工时节段间浇筑质量较差，多处接缝处存在高差，高差最大值达5 cm，预应力筋外露锈蚀，个别波纹管内没有灌浆。边跨底板横向及腹板斜向裂缝从其分布位置及形态分析，横向裂缝表现为弯曲裂缝，腹板斜裂缝表现出较明显的剪切受力裂缝状态，其中个别裂缝宽度达到0.15 mm。

根据城市桥梁养护技术规范裂缝宽度要求，三汊河大桥检测评估等级为D级—不合格级，急需进行加固修复[3]。

3 加固设计

3.1 加固前计算分析

桥梁加固前计算采用有限元程序进行，计算采用平面杆系理论，主梁三维梁单元模拟。为了比较准确反映结构的受力情况，各个构件截面特性按照结构实际尺寸进行取值，施工阶段按照原设计图中阶段进行悬浇施工模拟。计算中荷载主要考虑自重、二期恒载、温度作用、支座沉降、收缩徐变、预应力以及汽车作用，其中汽车作用按照原设计标准汽-20级，挂-100级加载，并考虑汽车冲击作用。验算采用的规范限值按照规范[4]执行。

经过模拟计算可以得出以下结果：

由正截面抗弯承载能力包络图（如图2）可以得出，主桥边跨合拢段附近正截面抗弯承载力不足，主桥中跨跨中正截面抗弯承载力储备较少。

图2 正截面抗弯承载能力包络图及对应内力图

图3 正截面抗裂验算短期效应组合结果图形

由正截面抗裂验算结果（如图3）可知，短期效应下主桥边跨合拢段附近正截面拉应力最大值-3.08 MPa远大于A类构件限制应力-1.68 MPa，正截面抗裂不满足要求。

验算结果显示除以上两项不满足规范要求外，另外还有边支点附近抗剪承载力及箱室框架顶板抗弯承载力不满足规范要求。由此可见，三汊河桥梁主桥的计算结果与检测中发现的病害是吻合的，这也说明桥梁病害产生与结构受力不满足使用要求是紧密相关的。

3.2 加固设计方案

限于篇幅，本文中仅介绍抗弯加固的设计方案。根据以往经验，对于抗弯加固一般采用粘贴碳纤维板（或布）、钢板或体外预应力加固[5]，本桥梁为大跨径预应力桥梁结构，除抗弯承载力不满足外，边跨合拢段附近截面下缘拉应力也超标较多。理论分析认为，混凝土截面裂缝开裂后，开裂的截面刚度折减[6]，靠近开裂位置的受拉钢筋会因水气的进入而逐渐锈蚀，影响桥梁结构耐久性及结构安全。为此，合理的加固方案不仅要提高截面承载能力，还需对截面边缘出现的较大拉应力进行消压，使得较大宽度（大于0.1 mm）裂缝的开展有所限制，较小宽度（小于等于0.1 mm）裂缝适度的闭合。考虑到普通粘贴加固是一种被动加固法，对既有结构加固，存在二次受力问题，虽然对截面承载能力有一定程度提高，但是无法有效消压，对裂缝的开展限制作用有限，更不可能闭合裂缝[7]。经分析研究，认为采用预应力加固的主动加固方法才可以满足本桥的加固要求[8-9]，提出以下两种方法。

3.2.1 体外预应力索加固

图4 体外预应力加固断面图

如图4，本方案对原桥梁结构抗弯不足的边跨合拢段附近及中跨跨中附近采用体外预应力技术加固，横向在截面两侧近腹板处对称布置两束15-φs15.2预应力钢束，每束预应力钢束的张拉力为2 520 kN。由于箱室内的高度在1.3 m左右，设置锚固齿块及预应力张拉施工均较为困难；若设置在箱室外，锚固座及预应力索使桥梁外观不佳；出于对体外预应力筋加固的受力进行对比分析，暂以在箱室内的布置方案为研究对象。

3.2.2 分布式预应力碳纤维板加固

图5 分布式预应力碳纤维板加固断面图

如图5，通过在箱梁底面（边跨合拢段、中跨跨中一定范围内）粘贴多条预应力碳纤维板，碳纤维板厚2 mm，宽 50 mm，每根预应力碳板张拉力为120 kN，总张拉力为2 520 kN。相对于体外预应力筋加固（方案一），分布式预应力碳纤维板（方案二）的预应力布置思路是“化整为零”，这样有很多好处。第一，避免集中的体外预应力在宽箱梁上的剪力滞效应[2]，让预应力在箱梁上分布更合理（下面详细计算）；第二，预应力碳纤维板布置在箱梁底面，距中性轴较远，预应力的抗弯效果更好；第三，预应力碳纤维板与箱梁相黏结，能紧密结合，在受力时共同工作，能抑制既有裂缝的扩展，这是体外预应力筋或者无黏结预应力筋所不具有的特点[9]；第四，碳纤维板厚度较薄，施工完成后，对箱梁的外观基本不改变，对城市桥梁景观来说至关重要；第五，锚固区设置同样也是“化整为零”，每个锚固座的设计将变得相当简单，甚至锚固座可以实现隐形设计，施工完成后，同碳纤维板一样对桥梁外观几乎没有改变。

3.3 宽体箱梁加固后横向应力分布计算

针对以上两种预应力加固方案，对后加预应力在宽体箱梁上的应力分布分别做有限元分析对比计算。计算中采用Midas civil软件中的实体单元模拟箱梁节段混凝土，预应力筋体外束及碳纤维板以桁架单元模拟分析计算。计算结果如图6及图7。

图6 体外预应力钢束加固后正截面压应力（单位：MPa）

图7 分布式预应力碳纤维板加固后正截面压应力（单位：MPa）

经有限元结构分析可知：方案一中体外预应力束加固的箱梁节段，由于钢束张拉及锚固力均较大，因此靠近腹板位置处，在预应力作用下，压应力首先由齿块传递至与其相连的腹板及底板，最后才能传递至底板中部，底板上产生的应力沿横向是不均匀分布的，呈现中间小两边大的状态。此处，齿块位置最大压应力26.31 MPa，底板中间压应力接近0，可见体外束加固后对底板的消压作用因箱梁的剪力滞效应，预压应力分布极不均匀，施力处大，远离处小，受力较不合理。方案二中分布式预应力碳纤维板加固的梁段，由于碳纤维板直接布置于箱梁底板，预应力作用下，压应力通过锚具及黏结力直接作用于底板，无剪力滞效应[2]，分析结果显示底板压应力为4.99 MPa，且压应力沿底板分布均匀，可见分布式预应力碳纤维板加固对底板的消压作用相对而言是均匀且显著的。

基于以上分析，并考虑两种预应力加固方法的施工难度及耐久性[8-10]、经济性，最终采用分布式预应力碳纤维板加固方案作为加固设计方案。

3.4 加固后桥梁整体效果分析

对加固后的桥梁进行模拟分析计算，计算结果（如图8、图9）显示经分布式预应力碳纤维板加固后桥梁抗弯承载力及正截面抗裂能力均有大幅提高。表明该桥采用分布式预应力碳纤维板加固方案可以达到预期加固效果。

图8 加固前后结构抗力对比（单位：kN·m）

图9 加固前后结构短期作用抗裂对比（单位：MPa）

4 结语

通过对南京市三汊河大桥的加固设计的对比研究，可以得出：对于低高度宽体箱梁桥结构因抗弯承载力不足或裂缝宽度较大等病害，采用分布式预应力碳纤维板加固是一种较体外预应力筋加固更合理可行的方法，在技术经济可行条件下应优先采用。