钢筋混凝土简支空心板梁桥加固设计

王子强

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

1 工程概况

威宁大桥位于丹阜高速公路本溪段，建成于1994年。该桥分为上、下行，跨径布置为24×13.25m，桥梁全长322.2m，属大桥，该桥位于曲线半径为900m的左偏圆曲线上。上部结构为钢筋混凝土带翼缘简支空心板，上、下行横桥向均为9片板。下部结构为钢筋混凝土单柱式桥墩和钢筋混凝土3柱框架式桥台，墩台基础均采用钻孔灌注桩基础。桥面净宽2×10.5m，上、下行外侧各设0.50m的防撞墙，内侧各设0.75m的防撞墙，桥面铺装采用沥青混凝土，伸缩缝为XF-80型钢伸缩缝，上、下行均为3道，分别设置在4、12、20号墩顶，支座为板式橡胶支座。原设计荷载等级：汽车-超20级、挂车-120。

2 桥梁病害

上行桥梁：全桥共计20块板出现斜向裂缝，距板端0.8～2.5m范围内，分布1～3条斜向裂缝，裂缝长度为0.3～0.5m，裂缝宽度为0.06～0.5mm，个别裂缝宽度已超出规范限值(≤0.3mm)。

下行桥梁：全桥共有39块板板端出现斜向裂缝：距墩顶0.5～3.5m范围内，分布1～5条斜向裂缝，裂缝长度为0.1～0.6m，裂缝宽度为0.1～0.2mm，裂缝宽度未超出规范限值(≤0.3mm)。

3 原桥结构计算分析

采用桥梁博士软件建立该桥钢筋混凝土简支空心板杆系模型，进行结构受力分析，共划分18个单元，19个节点，支点、跨中、截面变化处均设置节点。

依据原设计文件空心板采用C25混凝土，跨中12根直径28mm二级钢筋，板端处采用四肢直径8mm光圆钢筋，距板端1.83m范围内箍筋间距为10cm，距板端1.83～2.93m范围内箍筋间距为15cm，距板端2.93m～跨中范围内箍筋间距为20cm。

图1 原桥简支空心板模型

汽车荷载采用现行公路-Ⅰ级荷载，提取跨中正截面弯矩及支点斜截面剪力在承载能力极限状态基本组合下计算结果(基本组合是永久作用设计值与可变作用设计值的组合)。

表1 原桥空心板承载力计算结果表

由以上计算结果可知原桥空心板跨中正截面弯矩不满足现行公路-Ⅰ级荷载，支点附近斜截面抗剪承载力不满足现行公路-Ⅰ级荷载。由于抗剪承载力不足因此部分空心板板端附近出现斜向剪切裂缝。

4 加固设计

4.1 总体加固思路

(1)荷载等级由原汽车-超20级、挂车-120提载至公路-Ⅰ级。

(2)针对空心板跨中正截面抗弯承载力不足，通过体系转换(对带翼缘空心板在连续墩顶处增设普通钢筋进行结构连续)，降低跨中处正弯矩。

(3)针对空心板支点附近斜截面抗剪承载力不足，通过增大截面尺寸(板端腹板加宽)、增加配箍率提高其抗剪承载力。

(4)空心板通过铰缝传递荷载，该桥空心板铰缝破损严重，存在单板受力现象，为了提高结构整体性，凿除原空心板翼缘及铰缝，现浇湿接缝，形成刚性连接，并在每孔L/4处增设两道中横梁。

4.2 具体加固内容

(1)凿除原空心板翼缘及铰缝，现浇为湿接缝处理，每孔空心板均增设2道中横梁。

图2 湿接缝、横隔梁图(单位:mm)

(2)上、下行0、6、12、18、24号墩台顶分别设置伸缩缝，对应空心板增设伸缩缝加厚块。

(3)空心板连续端单侧4.1m范围内及简支端4.0m范围内腹板加宽处理。

图3 腹板加宽图(单位:mm)

(4)对带翼缘空心板在连续墩顶处增设普通钢筋进行结构连续，6孔1联，上、下行各4联，共计8联。

4.3 设计难点、要点

(1)凿除板端混凝土时需凿至原支座中心线位置，此时结构支撑不稳，宜出现失稳危险，因此凿除板端混凝土前需设置临时支撑，此次设计临时支撑设置在距原支座中心线15cm处，待完成体系转换后拆除临时支撑。

(2)新增横隔梁施工空间小，混凝土浇注振捣质量难以保证。此次设计时采用“顶板开天窗”的方法，即凿除空心板顶板对应横隔梁处0.6m范围内混凝土，为施工提供操作空间，待横梁混凝土浇注完成后再恢复填补顶板天窗位置。

(3)边板翼缘相对单薄，需承担防撞墙重量，此次设计时通过在边板板端及四分点翼缘位置设置承托，提高翼缘承载力。

(4)空心板腹板加宽混凝土与原桥结合效果难以保证，此次设计通过在原桥腹板加宽处植入直径16mm的钢筋并在新旧混凝土结合处凿毛处理保证其结合效果。

(5)东北高速公路在冬季时常通过洒除冰盐防止融雪结冰，但除冰盐中含有大量氯离子，侵入到混凝土中加速钢筋锈蚀，该桥边板钢筋锈蚀严重，个别板大面积混凝土剥落、钢筋锈胀，此次设计时对该桥边板泄水管侧翼缘、腹板整体涂刷防腐涂装，进行防腐处理，对于钢筋锈胀位置通过除锈剂除锈后采用聚合物砂浆修补。

(6)原桥边板泄水管侧翼缘、腹板水蚀严重，此次设计时采用在原桥空心板边板外翼缘设置滴水檐，即用铝合金条(直角形3.0cm×3.0cm)或耐老化型橡胶条(直角形3.0cm×3.0cm)，采用锚固、粘贴方式设置于外侧翼缘板底缘。

4.4 主要加固材料

混凝土：空心板腹板加宽、墩顶现浇段、横梁、湿接缝、边板翼缘承托、伸缩缝加厚块均采用C30混凝土。

普通钢筋：结构主要受力钢筋采用HRB400，构造及其它钢筋采用HPB300，其性能符合国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB 1499.2-2007)及《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》(GB 1499.1-2008)及(GB 1499.1-2008/XG1-2012)的规定。

植筋胶：本设计所用植筋用的胶粘剂均采用A级胶。植筋用的胶粘剂，必须采用专门配制的改性环氧树脂胶粘剂，其安全性能指标必须符合以下规定：

胶体劈裂强度：A级胶≥8.5MPa；

胶体抗弯强度：A级胶≥50MPa；

胶体抗压强度：A级胶≥60MPa；

拉伸抗剪强度标准值：A级胶≥16MPa；

不挥发物含量(固体含量)≥99%。

防腐涂装：分为底涂涂层和面涂涂层，底涂涂层具有强渗透性，能够深入混凝土孔隙中，修补混凝土微小缺陷，同时能与混凝土粘结牢固，耐水、耐腐蚀、耐温变，可长期在水里浸泡不脱落。面涂涂层应具备防腐蚀性，耐盐、耐碱、耐酸、耐温、耐水、耐化学药品，同时应具有优异的机械物理性能。

4.5 加固效果分析

采用桥梁博士软件建立该桥加固维修后简支转连续空心板杆系模型，进行结构受力分析，共划分118个单元，119个节点，支点、跨中、截面变化处设置节点。

图4 简支转连续空心板模型

腹板加宽采用C30混凝土，加宽处设置直径10mm箍筋，单侧单肢，间距10cm。连续墩顶处采用7根直径20mm的连续钢筋。腹板加宽在模型中采用附加截面形式，参与截面受力在混凝土浇注完成后。汽车荷载取公路-Ⅰ级荷载，支座不均匀沉降按5mm考虑，整体升温取34℃，整体降温取23℃，温度梯度依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)4.3.12第6条取用。

由表2计算结果可知加固后空心板跨中正截面弯矩满足现行公路-Ⅰ级荷载，支点附近斜截面抗剪承载力满足现行公路-Ⅰ级荷载。该加固方案解决了空心板板端附近斜截面抗剪承载力不足情况，能有效限制板端斜裂缝开展，解决了原桥设计荷载等级较低情况，将汽车荷载等级提载至现行公路-Ⅰ级荷载。

表2 空心板加固后承载力计算结果表

5 结论

简支空心板梁桥早期设计时对于空心板板端斜截面抗剪承载力考虑不足，配箍率(箍筋间距及直径)、截面最小尺寸不满足现行规范要求，板端常出现剪切斜裂缝，若不及时加固处理裂缝开展较快，易出现脆性破坏，威胁行车安全。

以丹阜高速威宁大桥加固工程为背景，简要对加固设计过程进行介绍，通过板端腹板加宽、体系转换(简支转连续)等加固手段，将原桥由设计荷载汽车-超20级、挂车-120提载至公路-Ⅰ级，解决了原桥空心板支点附近斜截面抗剪承载力不足现状，可为同类工程提供参考。