大悬臂薄腹板箱梁桥二次加固设计分析

陈 航

(1.福建省交通科研院有限公司；2.福建省公路水运工程重点实验室，福州 350004)

1 前言

预应力混凝土连续箱梁以其结构刚度大、施工简便、后期养护相对简单而在中小跨径桥梁中得到广泛应用。但由于施工和运营过程中的缺陷，如结构尺寸施工偏差、钢束预应力损失过大、 混凝土劣化及实际车辆荷载超限等，可能导致箱梁开裂、下挠等病害。

针对预应力混凝土箱梁桥梁跨中下挠、 底板及腹板开裂、车致振动明显等问题，许多学者开展了大量研究，提出了外包混凝土、粘贴碳布、粘贴钢板、增设体外预应力及改变体系加固等加固方法[1-7]。 但这些研究主要集中在未加固的桥梁上， 对于已加固桥梁进行二次加固的研究却很少。本文结合实际工程案例，分析箱梁病害原因及前期加固存在的不足之处， 综合考虑结构现状、 运营环境、工程造价等因素，提出腹板加厚并布设体内预应力的二次加固方案；并对加固前、后的桥梁进行荷载试验，分析该桥二次加固的效果，为类似桥梁的加固提供参考。

2 工程背景

2.1 桥梁概况

沈海高速漳州段某座预应力混凝土连续箱梁桥的桥跨布置为45.8m+3×50m+31.6m，桥长235.4m，设计荷载为汽车-超20 级、挂-120，建成于1997 年。该桥主梁采用单箱单室等截面斜腹板箱型截面，箱梁高2.8 m，箱梁顶宽12.5 m、底宽4.8m，顶板厚0.2m、跨中腹板厚0.32 m、跨中底板厚0.15 m，箱梁翼缘板悬臂宽3.55 m，如图1 所示。由图1 可以看出，该桥箱梁跨中顶板、底板、腹板均明显小于常规同等跨径预应力混凝土箱梁， 而两侧悬臂宽占总桥宽比例达57%，为典型大悬臂薄腹板箱梁截面。

图1 箱梁跨中截面图（单位：cm）

2.2 桥梁病害现状

根据桥梁检测报告，桥梁主要病害为：所有跨箱梁底板出现横向裂缝，箱内、箱外梁端腹板存在较多斜向裂缝及纵向裂缝，约三分之二裂缝宽度超限，部分腹板斜向裂缝为箱内、外对称分布。 箱梁裂缝可分为以下四类：

（1）箱外跨中底板横向裂缝、腹板竖向裂缝。 最大缝宽0.43mm，主要分布于1/4～3/4 跨。

（2）箱内外腹板斜向裂缝。 最大缝宽1.2mm，主要分布于支点附近；箱内裂缝数量比箱外稍多，缝宽较大。

（3）箱内外腹板纵向裂缝。 最大缝宽0.35mm，主要分布于L/4～3L/4 腹板中轴线以上；箱内裂缝数量明显多于箱外，缝宽较大。

（4）腹板顶施工缝。 最大缝宽4mm，位于腹板顶承托附近，全桥贯通，裂缝顺桥向在箱内外对称分布，箱内缝宽大于箱外缝宽。

图2 梁底横向裂缝

图3 腹板外侧斜向裂缝

桥梁静动载试验表明：结构挠度校验系数均大于1，结构实测频率小于理论频率， 表明结构的实际刚度小于理论刚度，不满足要求。

2.3 历次检测与加固分析

2006 年至今，多家设计单位基于桥梁检测资料进行病害处治加固。 2006 年和2009 年桥梁外观检测报告显示该桥主要病害为箱梁底板存在横向裂缝， 采取的处治措施为根据裂缝宽度不同， 进行裂缝表面封闭和注胶封闭，并在底板通长纵向粘贴两层碳纤维布。 2013 年外观检测发现箱梁裂缝继续发展， 考虑多次进行常规处治的效果不佳，处治方案暂定为封闭裂缝，并补充桥梁荷载试验，根据桥梁荷载试验结果调整设计方案。 2014 年进行的荷载试验显示该桥不满足设计荷载的要求。 考虑本桥由于纵向抗弯刚度不足引起的箱梁底板横向裂缝较多，采用的加固措施为箱梁内部底板增大截面， 并增加预应力钢束，具体如图4 所示。

图4 2015 年箱内底板加固示意图

图5 腹板顶施工缝

2015 年在增大截面加固施工过程中，发现箱梁内外腹板顶存在最大缝宽达4mm 的施工缝（如图5 所示），腹板同时存在较多斜向和纵向裂缝。为此，暂停桥梁加固施工，进一步细化桥梁检测。检测资料显示该桥箱梁除外侧存在各类裂缝外，箱内腹板裂缝也较多，腹板、底板厚度、钢筋保护层厚度的合格率均较低， 该桥被评定为四类危桥。 为保证桥梁运营安全，需对该桥进行二次加固。

从上述检测和加固历史回顾可看出， 该桥历经多次维修与加固，但效果不佳。 其主要原因有以下几方面：本桥施工质量较差，尤其是腹板顶的施工缝，导致结构整体刚度下降；早期桥梁养护管理经验不足，未及时对桥梁的技术状况进行检测和评估，直到2006 年才开始进行检测和维修；2015 年之前的检测资料不全面， 仅进行箱梁外观检测，未进入箱梁内部检测，桥梁病害情况未详实反映出来；进行处治加固时，病害原因分析不够全面，处治措施针对性不足。

3 箱梁加固方案

本桥病害严重，病害类型较多，非单一的因素导致。综合该桥箱梁病害特点，可看出该桥箱梁整体刚度较差、正截面抗弯和斜截面抗剪强度均不足，常规的处治措施，如封闭裂缝、 粘贴碳布或加强抗弯刚度的局部增大截面方案均无法根治桥梁病害，需要采取能全面、综合治理的加固方案。

2015 年在未知箱内病害的情况下，采用箱内底板局部增大截面+体内预应力钢束的加固方法， 如图6 所示。尽管该加固方案能一定程度上提高结构的抗弯承载能力，但并没有解决抗剪、腹板裂缝等病害，且增加了结构自重，弊大于利，因此对其进行拆除。

本次加固设计先拆除前期加固效果较差的加固结构， 提出腹板外侧增大截面并布设体内预应力的组合加固方案。该方案综合被动加固和主动加固理念，可增加腹板厚度、减小箱梁悬臂长度，有效提高箱梁竖向抗弯、斜向抗剪刚度，横向抗扭刚度。 箱梁主要加固措施为：

（1）拆除2015 年箱梁跨中底板增大截面加固结构；

（2）箱梁腹板除锚固段外均加厚18cm，锚固端加厚50cm；

（3）在腹板左右侧新增截面内布置3 根15Φs15.2 通长钢束；

（4）腹板与悬臂交界处，腹板适当加厚，增设承托，减小悬臂长度；

（5）采用注浆封闭腹板顶施工缝后，在施工缝位置增设30cm×30cm 混凝土倒角。

图6 腹板增大截面及钢束布置示意图

4 加固效果分析

4.1 有限元计算分析

采用桥梁博士分别建立全桥结构有限元纵向计算模型对比加固前后结构计算结果，以分析加固效果。计算模型参数取值原则：如有检测实测值，取实测值，如无实测值，按原设计规范[8-9]取值。

加固前按桥梁设计规范进行最不利工况组合下，纵向计算结果表明： 跨中下缘拉应力和支点主拉应力超过规范限值（2.67MPa），跨中抗弯支点、抗剪承载能力均不满足规范要求，与箱梁底板横向裂缝、腹板斜向裂缝病害情况吻合。 计算结果如表1 所示。

表1 有限元计算结果汇总

从表1 可以看出，加固后箱梁的纵向、横向受力性能均得到明显改善，截面上下缘应力均在规范限值以内，抗弯承载能力、抗剪承载能力均有显著提高，其中支点附近抗剪承载力提高32%。

4.2 实桥荷载试验评价

为验证桥梁的加固效果，加固前、后分别对该桥进行了静、动载试验。桥梁加固前、后的荷载试验加载工况、加载车重量、测点布置等均相同。 荷载试验主要结果如表2所示。

表2 荷载试验主要结果汇总

荷载试验结果表明，该桥加固前实测挠度、应变校验系数大于1，各工况最大相对残余挠度大于20%，均不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）的规定。加固后，本桥跨中最大挠度、相对残余挠度、冲击系数、自振频率等各项关键指标均有改善，尤其是挠度和冲击系数指标明显提高；挠度、应变校验系数不大于1，各工况最大相对残余挠度由26.7%降为6.8%，均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）不大于20%的要求；冲击系数降低、自振频率提高说明加固后桥梁整体刚度增大。静动荷载试验结果表明，该桥右幅满足设计荷载汽车-超20，挂车-120 的正常使用要求。

5 结语

针对某大悬臂薄腹板混凝土箱梁桥多次维修加固而病害未得到根治的问题，本文回顾桥梁检测与加固历史，全面分析桥梁病害原因，提出有针对性的处治方案。综合全文，得到以下主要结论：

（1）施工质量能否满足设计要求，达到设计的预期目标，这直接关乎桥梁结构的安全性与耐久性。施工过程中应加强质量管控，尤其是主要受力构件的施工质量。

（2）桥梁病害调查与检测应全面、细致。 检测资料要能反映出桥梁病害情况， 为维修加固设计提供必要的基础数据。 对预应力混凝土箱梁桥，如有条件，要进行箱内病害检测，并根据实际病害情况，进行荷载试验，以评估桥梁实际承载力是否满足设计要求。

（3）加固设计时，应结合桥梁检测报告和现场调查资料，进行必要的结构计算，综合分析病害原因，提出标本兼治的加固方案。

（4）本文采用外侧腹板加厚并布设体内预应力钢束的加固方案，能减小箱梁悬臂长度，提高结构整体受力性能，有效处治预应力混凝土连续箱梁因结构抗弯、抗剪承载能力不足引起的病害， 可为同类型桥梁的加固提供参考。