预应力混凝土小箱梁病害分析与加固设计研究

杨永杰，赵晓晋

（1.山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032；2.山西省交通科技研发有限公司 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030032）

1 工程概况

山西省内某省道上的一座桥，桥梁全长216.12 m，跨径组成为3×30 m+4×30 m，横向布置为0.5 m（护栏）＋11.0 m（行车道）＋0.5 m（护栏），桥面全宽12.0 m，桥面净宽11.0 m。设计荷载为汽车-20级、挂车-100级。上部结构采用30 m装配式预应力混凝土箱型梁，桥面为8 cm 40号防水混凝土铺装，左、右侧设置防撞护栏。下部结构为柱式及薄壁式墩，耳墙式台，嵌岩桩基础。由于桥梁构件繁多，为了更好地梳理和标明桥梁病害具体位置，按照统一方向对桥梁进行编号。从桥台往跨中方向，桥台和桥墩编号依次为0号、1号、2号和3号等；按照桥梁横向从左向右，对箱梁和支座编号为1号、2号和3号等；对横隔板编号为1号-2号梁间1号横隔板、2号-3号梁间2号横隔板等；对湿接缝编号为1号-2号梁间湿接缝和2号-3号梁间湿接缝等。如图1～图3所示。

图1 桥梁全貌

图2 桥梁立面图（单位：cm）

图3 桥梁横断面图（单位：cm）

2 桥梁荷载试验评定

2.1 荷载试验分析

采用桥梁空间分析软件Midas Civil建立有限元分析模型[1]，模型如图4所示，依据桥跨结构的活载内力包络图和挠度包络图，确定结构的最大剪力、最大正、负弯矩截面为控制截面。根据分析结果，选定桥梁测试截面为边跨Ⅰ-Ⅰ截面、Ⅱ-Ⅱ截面、Ⅲ-Ⅲ截面、Ⅳ-Ⅳ截面，具体如图5所示，分别对应以下工况：

a）工况1 Ⅰ-Ⅰ截面最大剪力工况，中载。

b）工况2 Ⅱ-Ⅱ截面最大正弯矩（最大挠度）工况，中载。

c）工况3 Ⅱ-Ⅱ截面最大正弯矩（最大挠度）工况，偏载。

d）工况4 Ⅲ-Ⅲ截面最大负弯矩工况，中载。

e）工况5 Ⅳ-Ⅳ截面最大正弯矩（最大挠度）工况，中载。

f）工况6 Ⅳ-Ⅳ截面最大正弯矩（最大挠度）工况，偏载。

图4 桥梁计算结构示意图

图5 桥梁荷载试验加载截面示意图

荷载试验结果主要选取工况2～工况6进行分析，由于该桥湿接缝破损严重，考虑其年久失修，桥面连续的受力效应明显减弱[2]，故在理论计算时，亦建立同等跨径的简支梁结构进行对比。在试验荷载作用下各个工况相应控制截面应变理论值与实测值，应变理论值与实测值比较如图6～图10所示。

图6 工况2Ⅱ－Ⅱ截面应变理论值与实测值

图7 工况3Ⅱ－Ⅱ截面应变理论值与实测值

图8 工况4Ⅲ-Ⅲ截面应变理论值与实测值

图9 工况5Ⅳ－Ⅳ截面应变理论值与实测值

图10 工况6Ⅳ－Ⅳ截面应变理论值与实测值

试验荷载作用下各工况挠度理论值和实测值如图11～图14所示。其中，表中挠度值均以向下为正。

图11 工况2Ⅱ－Ⅱ截面主梁变形值

图12 工况3Ⅱ－Ⅱ截面主梁变形值

图13 工况5Ⅳ－Ⅳ截面主梁变形值

图14 工况6Ⅳ－Ⅳ截面主梁变形值

通过以上应力结果图表可知，该桥在相当于设计荷载效应的车辆荷载作用下，各工况下的测点应力实测结果远大于主梁设计的连续状态计算结果，显示出明显的呈简支梁状态，与外观检测发现的主梁连续现浇段混凝土开裂严重病害一致。

由挠度结果图表可知，该桥在相当于设计荷载效应的车辆荷载作用下，各工况下的测点挠度实测结果远大于主梁设计的连续状态计算结果，显示出明显的呈简支梁状态，整座桥梁的刚度已不符合设计要求。

2.2 桥梁病害成因分析

桥梁病害生成于两个阶段。第一阶段是由桥梁设计存在缺陷和施工技术不到位造成的桥梁病害；第二阶段桥梁在建成投入使用后由于外界因素干扰导致箱梁病害产生[3]。通过桥梁病害的统计和描述，对实体项目病害进行归纳分析如下：

由于桥梁长年失修且长期通行超载车辆，负弯矩区湿接缝失效，结构形式发生改变，在未及时修复的情况下，桥梁处于高速货运的主干线，外部荷载和雨水腐蚀对桥梁裂缝出现和进一步发展起到促进作用，结构裂缝迅速发展，结构连续失效为简支状态。

桥面板、底板与腹板孔洞是由于混凝土体制作时石子成堆、砂浆搅拌不均匀导致严重跑浆；混凝土保护层发生破坏、剥离或者保护层太薄等原因，钢筋裸露于外部被雨水锈蚀后膨胀导致箱梁混凝土剥落[4]。

随着桥梁服役年限增加，在桥梁的腹板和底板处生成了竖向裂缝或横向裂缝，部分梁体结构上的腹板和底板间形成了贯通裂缝。依据桥梁竣工材料和定期检测报告，可以发现在除桥梁自身设计上存在结构缺损外，混凝土碱性降低和钢筋长期暴露被空气等因素腐蚀也是降低桥梁承载力的原因；原桥梁底应力储备较低，偶然重载车辆的经过，对结构造成了损伤，导致结构受力开裂；再有就是桥梁所在地区属寒冷地区，气温变化非常剧烈[5]，早晚温差在20℃以上，腹板受温度变化影响产生了竖向裂缝。布满桥身的裂缝破坏了桥梁结构的整体性，削弱了结构刚度，甚至破坏了主梁截面闭合性，降低了桥梁结构的抗扭和抗弯能力。

3 桥梁运营状况下的承载力评定

依据中华人民共和国行业推荐性标准《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）与《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011），对破损箱梁桥的承载能力进行检测评定，依据检测评定结果，对原桥在运营状况下进行承载力分析。

以设计资料为依据建立原桥设计状态下的有限元计算模型。该小箱梁梁体混凝土设计强度为40号混凝土，实际强度根据材性试验结果进行修正。小箱梁梁底受力普通钢筋为φ25，抗剪钢筋为φ12。预应力采用碳素钢丝，标准强度为1 600 MPa，抗拉设计强度为1 200 MPa，弹性模量E=1.8×105MPa。一期恒载为梁体自重，二期恒载为10 cm防水混凝土以及护栏重量；活载等级为汽车-20级、挂车-100。

在设计状态下，采用JTJ 023—85规范对原结构进行设计复核，控制断面取荷载组合中的最大值，其中Mj、Qj分别为计算弯矩、剪力组合值，Mu、Qu分别为小箱梁抗弯、抗剪承载能力值。各截面的承载力如表1、表2所示。

表1 连续梁承载能力极限状态抗弯验算 kN·m

表2 连续梁承载能力极限状态斜截面抗剪验算 kN

主要方法是在公路桥梁设计规范的基础上，结合旧桥的特点，引入桥梁检算系数、耐久性恶化系数、截面折减系数和活载修正系数分别对极限状态方程中结构抗力效应和荷载效应进行修正，并通过比较以判定结构或构件的承载能力状况。

桥梁构件恶化状况评定标度E=2.6，则恶化系数ξe=0.094；混凝土截面折减系数ξc=0.94；钢筋折减系数ξs=0.98。另外，依据《规程》中对承载能力检算系数Z1由表3各项指标确定。

表3 承载能力检算系数检测指标权重值

D=∑αjDj=0.4×4+0.3×1+0.3×1=2.2，偏安全考虑，承载能力检算系数不取大于1的系数，则取Z1=1。综上作述，抗力效应折减值为0.94×1×（1-0.098）=0.848。

表4 简支梁承载能力验算荷载极限状态抗弯验算

考虑结构承载能力折减后，在原设计活荷载作用下，对目前桥梁状态进行验算，其荷载组合如表4所示。

且目前结构处于简支梁状态，故承载能力计算结果如表5、表6所示。

表5 简支梁承载能力极限状态抗弯验算 kN·m

表6 简支梁承载能力极限状态斜截面抗剪验算 kN

根据以上计算结果可知，按照《公路桥梁承载能力检测评定规程JTJ/T J21—2011》对承载能力进行折减，原设计在目前使用状态下承载能力极限状态下已不满足设计使用要求。

4 桥梁加固方案设计

由前文可知，桥梁已发生体系转化，而负弯矩区不便增加预应力，该桥需在简支状态下继续工作，因此，需进一步提高简支结构的承载能力。简支结构的跨中正弯矩现已超限，需提高跨中截面抗弯能力，目前较为成熟的工艺则为粘贴钢板或碳纤维布[6]。以下对两种方案进行计算对比。

4.1 粘贴钢板加固方案

由病害统计可知，该桥出现多处裂缝，且本桥主要产生了体系转化，为增加主梁跨中的抗弯承载能力和支点处抗剪能力，在粘贴钢板加固时分为两部分，一是跨中的抗弯钢板，位于跨中区域底部，钢板宽与底板同宽，分布区间为15 m；二是抗剪钢板，位于支点处附近区域，距支点1.5 m处开始向跨中方向分布6 m，与水平方向夹角45°，抗剪钢板采用长1.4 m，宽0.1 m的钢条，加固钢板材质选用Q345B级钢。混凝土小箱梁加固示意图见图15。

图15 桥梁粘贴钢板加固示意图

参考《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J23—2008）[7]，抗弯承载力计算如式（2）、式（3）：

由式（2）、式（3）可知，加固后桥梁结构的承载力与加固钢板的厚度参数密切相关，因此，由式（2）、式（3）试算粘贴钢板由6～10 mm的桥梁结构承载力。结果如表7所示。

表7 简支梁承载能力极限状态抗弯验算 kN·m

由于跨中弯矩承载力不足，在粘贴钢板后，截面抗弯矩值明显提高，且钢板越厚，加固效果越好。表7中最后一栏也对单片梁的加固成本做了估算，其中钢材单价按5 000元/t进行估算，可为加固方案提供参考依据。

4.2 粘贴碳纤维板加固方案

粘贴钢板加固在边跨正弯矩区段底板粘贴碳纤维板，加固长度为15 m。抗剪加固采用在小箱梁腹板上粘贴碳纤维板条，板条长1.4 m，宽0.1 m，与水平方向呈45°夹角，相邻板条水平间距15 cm，粘贴区段为从两端一倍梁高处向跨中方向6 m范围，小箱梁两侧腹板均进行加固，见图16。

图16 桥梁粘贴碳纤维布加固示意图

参照《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22—2008），抗弯承载力计算如式（4）、式（5）：

由式（4）、式（5）可知，加固后桥梁结构的承载力与加固碳纤维板的厚度参数密切相关，因此，由式（4）、式（5）试算粘贴碳纤维板由0.8～1.4 mm的桥梁结构承载力。结果如表8所示。

表8 简支梁承载能力极限状态抗弯验算 kN·m

由于跨中弯矩承载力不足，在粘贴碳纤维板后，截面抗弯矩值明显提高，且碳纤维板越厚，加固效果越好。表8中最后一栏也对单片梁的加固成本做了估算，不同厚度的碳纤维板分别按300元/m、400元/m、500元/m和600元/m进行估算，可为加固方案提供参考依据。

4.3 加固方案对比

桥梁比较了粘贴钢板和粘贴碳纤维板两种加固方式，两种加固方式均是比较成熟的加固方式，但碳纤维板在操作上稍微复杂一点，施工工序区别并不太明显。因此，图17给出了两种方式加固效果与造价的关系图示。

图17 单片箱梁加载效果与造价的关系图

由图17可知，不同的加固方式，对现役承载力的提高比例不一样，而花费的造价也有区别。在花费相同造价时，粘贴碳纤维板的效果高于粘贴钢板的效果。另外，碳纤维板对于裂缝封闭的效果更优，针对裂缝较多的旧桥，推荐使用粘贴碳纤维板加固的方式。

5 结论

结合荷载试验结果，对桥梁病害情况及其成因分析，剖析桥梁现状，以《公路桥梁承载能力检测评定规程》为依据，对桥梁剩余承载力进行评估分析，综合考虑桥梁现役荷载的实际情况。对于纵桥向联系受损严重的连续小箱梁桥，其结构体系已发生变化，为增加转化后简支梁结构的承载力，选取了粘贴钢板加固法和粘贴碳纤维板加固法对混凝土小箱梁进行了加固验算，并对加固效果、施工工艺和经济效益进行对比；根据理论公式计算出了加固效果，结合施工难易程度以及经济效益的详细对比，采用粘贴碳纤维板加固法性价比更有优势。