改扩建中旧桥受力及加固方法分析

文/新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院 贺国峰

随着我国机动车保有量不断增加，造成现在的桥梁在设计之初对交通量的预期远远小于实际交通流量，桥梁宽度限制了车流的通行，车流量过多时，容易形成堵塞，因此有必要根据实际情况对现有桥梁加宽，以满足人们的出行需要。同时，旧桥加宽改造需考虑新、旧部分的受力性及差异性，保证桥梁的整体性能，特别是良好的安全使用性能。

工程背景

本文依托连霍高速公路新疆境内段改扩建工程实际情况进行分析。该段高速公路作为新疆交通运输网络“东联西出”的主动脉和天山北坡经济带的“黄金大通道”，于1998年正式开工建设，已投入运营十多年，随着沿线社会经济的不断发展，交通量增长迅速，服务水平和通行能力已明显不足，急需改扩建。为了保证工程质量，并符合已有桥涵的实际现状，需分析现场检测及受力。

现有桥梁受力分析

改建路段有大小桥梁近百座，包含箱梁、空心板、组合梁等不同跨径、不同类型，为了了解桥梁的现状，需对沿线不同跨径的桥梁进行受力分析，选定的桥梁跨径有6m、8m、10m、16m、20m、25m共六种，验算正常使用极限状态和承载能力极限状态下，抗弯和抗剪截面的强度，根据规范中的内容，正常使用极限状态下的抗弯和抗剪强度验算，遵循原设计时的规范要求计算，承载能力极限状态下的抗弯和抗剪强度验算需要按照现行的最新规范计算。

正常使用极限状态下的抗弯和抗剪强度验算

按照原设计荷载标准：汽车-超20级，挂车-120对桥梁进行正常使用极限状态下的抗弯抗剪能力计算，分别计算了6m、8m、10m、16m、20m、25m共6种跨径的边板和中板的跨中部分的抗弯和抗剪力，并与相对应的荷载效应进行比较(如图1、图2所示)。

图1 抗弯承载力与荷载效应比值

图2 抗剪承载力与荷载效应比值

从图1和图2可以看出其抗弯和抗剪承载力均满足要求，抗弯、抗剪承载力与荷载效应比值均＞1，其中抗弯承载力/荷载效应比值的结果中，13m跨径中的边板比值最小为1.03，8m跨径中的中板比值最小为1.08。而抗剪承载力/荷载效应比值中，10m、8m跨径的边板比值较小为1.17，8m跨径中板的比值最小为1.14。由此可知，在这些跨径的正常使用承载能力均满足要求的前提下，8m跨径的桥梁相对来说承载力较差，需要多加注意，相对来说在未来使用中较易损坏。

承载能力极限状态桥梁截面强度验算

按照现行规范，对桥梁加宽利用部分进行承载能力极限状态验算，选取边板和中板跨中，最不利位置实际产生的弯矩和设计抗力比值，以及边、中板最不利于建设位置的剪力及抗剪比值形成(如图3、图4所示)。

图3 弯矩与抗力比值

图4 抗剪力与剪力比值

从图3、图4中可以看出，采用现行标准进行抗弯极限承载力验算，除了25m跨径的组合梁其余跨径的桥梁均无法满足要求，其中跨径为16m、20m、25m桥梁的中板满足要求，边板仅25m跨径的桥梁满足要求。而抗剪强度6m、8m、10m 、16m、20m、25m跨径的桥梁，通过计算并选取抗剪力与剪力比值最小处形成的情况(如图2所示)，可以得出，其斜截面抗剪强度在承载能力极限状态下满足要求，所以在进行桥加宽利用时，要对现有桥梁的利用部分进行加固，使其满足现行标准条件下，承载力极限状态的抗弯强度要求。

桥梁加固方法分析

通过对已有桥梁进行正常使用极限状态和承载能力极限状态的截面强度分析，得知其无法完全满足要求，故应对其进行加固。加固方法主要有加强薄弱构件，改变桥梁结构的受力情况、对桥梁构件进行换新或增加相应的构件等。在加固工程中，增加截面、粘贴钢板、粘贴高强复合纤维、加强横向联系是比较常用的手段。

增大截面法

加大截面主要是使用与原结构等级相同或略高的材料，使结构的承载力和刚度得以提高。结构的承载力和刚度提高后，恒载增加较多，导致新旧材料受力不同步，存在一定的差异性。可以通过增加受力主筋、增大混凝土截面、加厚桥面铺装层和喷射混凝土加固等方式解决。

粘贴钢板法

粘贴钢板是通过使用环氧树脂或建筑结构胶，将钢板粘贴在被加固的混凝土结构物的相应部位，使之与相应的构物形成一个共同受力的整体，使结构物本身的裂缝发展得以限制，受力状态较以前变好，承载能力有了进一步的提高。

粘贴高强复合纤维法

粘贴高强复合纤维是采用环氧树脂胶（其他的结构胶也可以）将高强复合纤维布粘结在相应的结构的薄弱部位，与其形成共同受力体，从而限制结构物本身裂缝的发展，提高了相应结构本身的承载力。采用这种加固方法进行受弯构件正截面承载力和斜截面承载力加固补强时，纤维布的布置方案与粘贴钢板法相同。高强复合纤维对限制裂缝发展提高梁的抗弯和抗剪承载力有不错的效果。

加强横向联系法

此方法主要用于空心板铰缝部分失效情况，通过在板底加焊横向钢板，变铰接为刚接，提高空心板的横向联系。此方法使铰缝具有较强的横向抗弯能力，空心板间变为刚性连接，提高了桥梁整体工作性能，减小了荷载横向分布系数，其效果相当于间接提高了桥梁正截面抗弯承载力。该项技术可增强横向联系，宜在梁（板）端部及其他控制截面进行。

根据各个加固方法的具体效果，针对沿线桥梁的实际情况，应选用合适的加固方案，如加大截面法，由于铺桥面混凝土现浇层对既有桥梁结构挠度影响较大，采用梁底喷射5cm混凝土层和一层D12钢筋网片进行加固。粘贴钢板法则采用在单板底缘两侧各粘贴宽25cm、厚5cm的钢板进行加固。

结论

根据不同跨径桥梁受力情况分析得出，正常使用承载能力均满足要求，但是8m跨径的桥梁相对来说承载力较差，在未来使用中较易损坏。各跨径桥梁的承载力极限状态下，抗弯强度无法满足要求，若此状态仍继续运营存在安全隐患，故需要根据实际需要进行加固，提高承载力，以满足要求。