双层桥面预应力混凝土连续刚桁桥维修加固设计探讨

唐赓 毛建平 蒋凌杰

摘要：文章以某双层桥面预应力混凝土连续刚桁桥维修加固工程为例，结合该桥结构特点及通行交通荷载调查结果，探讨了桥梁病害产生的原因，并提出了三个维修加固方案进行比选分析，确定采用预应力混凝土连续刚桁桥调载加固法。通过桥梁荷载试验，验证了该加固方法的有效性，可为该类结构桥梁维修加固及养护工作提供参考。

关键词：预应力混凝土连续刚桁桥;维修加固;病害成因

中图分类号：U445.7⁺2 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.043

文章编号：1673—4874（2020）11-0154-05

0引言

预应力混凝土连续刚桁桥是继双曲拱桥之后发展起来的一种新型的轻型桥梁。因其具有施工简便、质量轻、造价低和外形美观等优点，在20世纪90年代前深受设计者青睐。但该类结构亦存在明显的缺陷：

（1）承载力差：现役钢筋混凝土桁架桥建设年代普遍较早，设计荷载等级偏低，材料强度偏低，承载力较小，难以适应当前的交通情况。

（2）整体刚度小：由于构件尺寸较小，且由多个预制杆件拼装而成，整体性差、刚度小。

随着我国经济的飞速发展，桥梁交通量和荷载等级不断提升，该类结构桥梁病害逐步显现。针对桥梁结构的维修加固方法一般包括：粘贴钢板和纤维复合材料、施加体外预应力、增大构件截面等。在以往的加固设计中，大多数情况下均未充分考虑到加固前的结构损伤已造成桥梁内力重分布，各杆件内力与成桥时存在较大差异。由于桥梁内力重分布，部分杆件在恒载作用下已经达到或接近承载极限状态，若直接对其进行加固，在二次受力阶段原材料仍可能发生破坏，危及桥梁整体的安全。

为避免上述情况发生，应充分考虑加固前桥梁内力重分布带来的不利影响。依托实际对桥梁进行维修加固工程，本文提出了预应力混凝土连续刚桁桥调载加固法，并通过实践证明了该方法的有效性和适用性，本文方法可为类似项目的开展提供参考和借鉴。

1桥梁病害分析

1.1桥梁概况

某桥全桥长785.5m。上层机动车道为净8.0m（弯道两侧各加宽0.75m），下层人行、自行车道为净5.0m。主桥为双层桥面预应力混凝土连续刚桁，中跨跨中设摆柱铰;桥面横向全宽采用两纵向桁片支承联接，其高度为6.35m，两纵向桁片通过横向安装行车道、人行道板、横向桥面钢筋网和施加横向预应力钢筋联成整体;上弦杆为U形断面，下弦杆为带缺口矩形断面。引桥为预应力混凝土空心梁（人行桥为钢筋混凝土T梁），如图1所示。主桥最大桥高40m，主墩为4桩式高桩承台，桩径为2.2m;引桥为双柱式桥墩，其直径为1.0m、1.2m和1.4m，明挖扩大混凝土基础，桥台为重力式浆砌片石U形桥台。桥面铺装为水泥混凝土桥面铺装。该桥于1995年7月通车。设计车辆荷载：汽车一超20级、挂车一120;人群荷载为3.5kN/m²。

1.2桥梁检测结果概述

该桥1995年建成通车，共进行了4次较为全面的外观检测，历次检测桥梁技术状况等级评定结果汇总见表1。

根据2017年桥梁检测结果，本桥技术状况评定为5类，依据相关规范规定，需及时关闭交通进行维修加固。

以最近一次检测结果为依托进行分析，该桥主要结构性病害包括：

1.2.1下弦杆与弦下斜杆交接处（下文简称“三角区”）裂缝

如图2所示，裂缝主要分为两类：（1）弦下斜杆与下弦杆结合面处开裂，该类裂缝宽度大，伴随渗水和局部剥落露筋等情况;（2）沿弦下斜杆向下发展的斜向裂缝。两类裂缝宽度均超过了规范规定的限制值，如图3所示。为验证结构实际承载能力，对桥梁进行了荷载试验。结果表明：（1）各静载试验工况下，三角区裂缝开展明显，表明裂缝受荷载影响较大，影响结构整体受力性能;（2）各静载试验工况下，主桥三角区下弦杆与弦下斜杆交接面处存在明显相对纵向位移，表明该处结构损伤严重，连接刚度出现较大削弱，承载力明显下降。

1.2.2引桥上层小箱梁腹板斜向裂缝

全桥共计1286道裂缝，最大宽度为2.00mm。根据裂缝分布、走向及荷载试验结果可判定为小箱梁斜截面抗剪不满足要求而产生的结构受力裂缝，如图4所示。

混凝土连续刚桁竖杆、斜杆及弦下竖杆等其他构件的裂缝。受篇幅限制，不再赘述。

1.3桥梁病害成因分析

结合近年来桥梁运营状况及试验检测结果，分析桥梁病害产生原因：

（1）桥梁周边交通观测站统计交通量状况见表2。

由表2可知，近年来各大工业园区迅速崛起，物流及人流不断增长，该桥交通日益繁忙，过桥重车明显增多，是导致桥梁病害发展的直接原因。

（2）从桥梁结构特性分析，该类结构桥梁刚度小，承载能力相对较弱。随着经济的飞速发展，交通量的逐年增加，该类桥梁整体刚度小的缺陷也渐渐表现出来，桥梁易出现裂缝等病害，影响桥梁的正常运营。

（3）三角区为弦下斜杆、下弦杆及竖杆的相交點，结构受力较集中，应力分布复杂，在超载情况下容易发生开裂。

根据2012年检测报告，三角区已存在裂缝，竖杆、弦下竖杆未见明显的受力裂缝。经过几年的运营，2017年检测发现22^#跨22^#墩处右侧三角区病害较严重，三角区短竖杆出现斜裂缝，结构出现横向错动。其余三角区病害均表现为混凝土开裂，结构并未出现错动迹象，疑为施工时三角区先后浇筑混凝土由于龄期差异、收缩徐变等引起的新旧混凝土结合面开裂，在超载作用下，容易造成裂缝进一步扩大。弦下斜杆与下弦杆交接处节点刚度受到严重削弱后，桥梁结构发生内力重分布，导致竖杆出现受力裂缝，弦下竖杆发生破坏性损伤，危及桥梁整体结构安全。

2维修加固设计

2.1加固设计原则

本次加固设计并未改变原桥梁的主要结构，故对于设计速度、桥面宽度、河流通航标准等方面仍然维持原标准。

根据外观检测及荷载试验结论，主桥试验跨整体承载力不满足要求，引桥试验跨小箱梁抗剪承载力不满足要求。由于原结构为悬拼桁架式结构，结构跨度大、构件尺寸较小，其安全储备不具备加固后满足现行规范的条件。本次维修加固采用原设计执行荷载标准（汽车-超20级、挂车-120），对原有结构出现的病害进行维修处治，充分利用原结构，通过加固措施使桥梁承载能力满足原设计规范要求。

桥梁维修加固设计以“安全、适用、经济、快速、简便、美观”为原则。

2.2加固方案比选

该桥维修加固的核心内容为主桥下弦杆与弦下斜杆交接处（三角区）维修加固。采用调载法进行加固，加固前将原桁架杆件内力及变形调整至一个相对较小的状态，以使加固后的结构能够充分参与受力，达到较好的维修加固效果。本次加固设计提出了三个维修加固方案，加固内容相同，主要区别在于加固过程中调整原桁架杆件内力及变形的施工方法。三个方案比选研究如下：

2.2.1维修加固方案一

在20^#～23^#墩墩顶处设置斜拉索塔，全部拆除下层人行道预制槽板，拆除斜拉索与桥面系相交位置处的行车道预制空心板，采用斜拉索对主桥桁架施加拉力，使三角区应力及弦下斜杆变形得到一定程度的释放，而后对三角区实施维修加固，对竖杆、斜杆实施加固，对裂缝进行处治，对其他病害进行处理，加固完毕后拆除斜拉索及索塔。施工期间，在主桥上弦杆顶设置临时人行道。整个维修加固过程采用桥梁计算机模型进行工况模拟，控制主桥各构件在各工况下应力不超标。如图5所示。

2.2.2维修加固方案二

全部拆除下层人行道板预制槽板，全部拆除主桥各跨行车道预制空心板，加固20^#、21^#、23^#、24^#跨竖杆和斜杆及三角区，对全桥裂缝进行处治，对其他病害进行处理。解除主桥跨中摆柱，加固22^#跨21^#墩侧半跨的竖杆和斜杆，加固22^#跨21^#墩处三角区。

22^#跨21^#墩处三角区维修加固完成后，在跨中摆柱处设置提升装置，以22^#跨21^#墩侧悬臂端为支点，对22^#墩侧悬臂进行顶升。为保证结构施工过程安全，22^#跨跨中頂升力不应过大，仅靠该处顶升未能达到预期的卸载效果，还须在22^#墩承台处设置锚固点，对该处三角区弦下斜杆实施体外索张拉，使该处弦下斜杆预存一定的压应力，而后对该处三角区进行增大截面加固。施工期间，在主桥上弦杆顶设置临时人行道，22^#墩侧悬臂顶升阶段，22^#跨中区段30m范围内需悬挑出临时人行道钢挑梁，把临时人行道改道至上弦杆范围之外，如图6所示。

2.2.3维修加固方案三

全部拆除下层人行道板预制槽板，全部拆除主桥各跨行车道预制空心板，在22^#墩顶设置斜拉塔，采用斜拉索对主桥桁架22^#跨22^#墩侧悬臂施加拉力，使该处三角区应力及弦下斜杆变形得到一定程度的释放，加固全桥桁片竖杆、斜杆及三角区。加固完毕后拆除斜拉索及索塔。施工期间，在主桥上弦杆顶设置临时人行道。如图7所示。

方案一、二、三均可达到加固目标。比较而言，方案一需设置4个临时斜拉塔，临时工程规模较大，斜拉体系张拉、调索过程较复杂;方案二直接进行恒载卸载，且对22^#跨22^#墩的弦下斜杆进行张拉钢束预存一定轴压力，加固效果好，但施工工艺复杂，施工难度大，存在一定风险;方案三直接进行恒载卸载，在22^#墩顶设置一个斜拉塔，通过张拉斜拉索对22^#跨22^#墩侧悬臂进行内力及变形调整，相对方案一而言，临时工程规模较小，施工工艺较简单，施工难度最小，通过适当调整斜拉索索力，加固效果能满足规范要求。本次施工图设计采用方案三。

2.3维修加固效果验证

除表3所列内容外，该桥维修加固内容还包括：主桥竖杆斜杆加固、三角区加固、上层行车道预制空心板更换、下层人行道预制槽板更换、引桥小箱梁加固或更换、支座更换、人行道T梁加固、上下层桥面铺装更换、伸缩缝更换、破损露筋局部维修处治等。

维修加固后进行交工验收试验检测，根据结构特点及维修加固情况拟定试验控制断面及控制杆件示意图见下页图8，桥梁静载试验工况及加载效率见下页表4。

静载试验结果表明：引桥及主桥主要构件应变校验系数在0.56～0.88之间，试验跨挠度校验系数在0.49～0.72之间，校验系数<1.0。说明按本文方法进行加固后，桥梁强度和刚度满足规范要求。应变和挠度相对残余均<20%，说明结构处于弹性工作状态。试验过程和试验后均未发现有新增裂缝。综合试验检测结果可判定结构承载能力满足设计规范要求，桥梁维修加固效果显著。

3结语

（1）预应力混凝土连续刚桁桥因其施工简便、质量轻、造价低和外形美观等优点得到了广泛应用。随着经济的飞速发展，交通量逐年增加，该类桥梁整体刚度小的缺陷也渐渐表现出来，桥梁易出现裂缝等病害，影响桥梁安全性和耐久性。桥梁管养过程中有必要对该类结构桥梁的安全问题进行重点关注。

（2）在以往的加固设计中，大多数情况下均未充分考虑到加固前结构损伤已造成桥梁内力重分布，各杆件内力与成桥时存在较大差异。由于桥梁内力重分布，部分杆件在恒载作用下已经达到或接近承载极限状态，若直接对其进行加固，在二次受力阶段原材料仍可能发生破坏，危及桥梁整体的安全。为避免上述情况发生，应充分考虑加固前桥梁内力重分布带来的不利影响。依托某桥维修加固工程，本文提出了预应力混凝土连续刚桁桥调载加固法，并通过实践证明了该方法的有效性和适用性。本文方法可为类似项目的开展提供参考和借鉴。