城市高架桥隐式盖梁加固设计与分析

阳 琴

(福州市规划设计研究院集团有限公司，福州 350108)

经济的快速发展对交通通行能力提出了更高的要求。 早期建造的桥梁因其设计荷载等级偏低现已很难适应交通量快速增长的要求。 本着工程结构绿色可持续发展的设计理念，在充分利用已有结构承载能力的基础上，结合先进有效的加固改造技术， 旧桥的加固改造已成为解决现有交通瓶颈的重要手段。

作为桥梁的重要组成构件， 盖梁即是承重构件同时又承担着荷载传递的任务。 交通量的增加、 上部结构的改造等情况都会影响盖梁的受力性能， 甚至危害到上部结构安全，因此盖梁加固就显得十分重要。目前对盖梁加固措施主要有：粘贴纤维复合材料加固法[1-2]；粘贴钢板法[3]；增大截面加固法[4-5]；施加体外预应力法[6-7]；增加受力构件法[8]等。 粘贴纤维复合材料加固法与其他加固技术相比具有自重小、施工周期短、耐久性好的优点，但是纤维复合材料本身缺乏延性， 加固方案的选择还应该考虑其脆性的特点； 粘贴钢板法能够提高原有构件的刚度和承载力， 并使裂缝的发展得到约束， 施工工艺简单快捷， 但是需要注意的是钢板要在原构件钢筋屈服才能发挥作用， 因此该方法是一种被动的方法；增大截面法具有很强的适用性， 原构件的强度与刚度、稳定性、延性等性能可得到良好改善，但其缺点表现为施工周期长， 会对交通产生较大影响； 施加体外预应力法通过对原有截面消减荷载， 能使原有构件的承载力显著提高， 但该方法受原构件形式、 锚固方式及施工条件的影响较大； 增加受力构件法中最常用的是对原构件增设支点来改变原有构件的受力方式，该方法可改善构件薄弱处的受力， 其缺点是对于有严格的净空要求的结构不适用。 由于桥梁结构本身及建造环境的差异性， 不同加固方法的加固效果存在差异，根据实际桥梁的情况选择合适的盖梁加固方法尤为重要。

本文以福州市琴亭高架桥车道改造工程为例， 结合桥梁实际使用性能和现场交通状况， 拟采用增加受力构件改变受力体系和粘贴钢板的综合加固设计法， 即采用盖梁底部全长度压力注胶法粘贴钢板结合墩柱两侧增设钢板托架形成对盖梁的有效支承(同时大大减少盖梁悬臂长度)的加固方案，借助数值分析方法计算盖梁的内力效应，对加固前后盖梁的承载力进行分析，进而验证加固方案的有效性。

1 工程概况

福州市琴亭高架桥位于福州五四路至秀峰路间，2000 年竣工通车。全桥共11 联56 孔，桥宽25 m，标准跨径20～25 m，含引道全长1455.88 m，双向四车道。 上部结构为B 类部分预应力混凝土工字形简支梁； 下部结构采用三桩柱排架墩接盖梁形式，盖梁采用隐式盖梁，盖梁高度为123 cm 或100 cm，宽度均为170 cm。 设计荷载为：汽-超20。 设计行车速度为60 km/h。 本桥作为福州北向二环至三环的重要节点，交通繁忙而且重型车辆较多。

2016 年二环五四改造工程为福州二环至三环快速化关键工程，而琴亭高架桥改造则为重要节点，高架桥桥面由双向4 车道改造为双向6 车道， 即车道布置形式发生改变，拆除现有两侧人行道和非机动车道，改造成6 车道。 改造后桥面横向布置为：0.5 m(防撞栏杆)+11.75 m(机动车道)+0.5 m(中央分隔栏)+11.75 m(机动车道)+0.5 m(防撞栏杆)；车道改造前后桥面横向布置情况分别见图1。

图1 车道改造前后布置图

车道布置改变势必改变全桥的受力情况， 尤其是桥墩盖梁。由于原盖梁悬臂较长，汽车偏载作用下会导致悬臂根部截面受力远大于原设计效应，威胁到桥梁安全，因此有必要依据改造后的车道分布对现有盖梁进行加固，从而满足承载力要求，确保桥梁结构运营安全。

2 盖梁加固方案

由于本桥使用年限较久， 且加固期间必须保证交通通畅，因此对加固方案提出了较为严格的要求。基于确保桥梁安全的原则，较少影响现有结构，同时本盖梁为隐式盖梁，加固面有限，仅盖梁底面可以加固，桥下有较大加固空间， 综合上述因素较为适宜在梁底采用增加受力构件法加固， 本次盖梁加固设计拟采用增加钢板托架受力构件的方式，为保证受力托架可靠连接，在盖梁底面采用粘钢， 钢板托架与墩柱之间采用环形抱箍加压力注浆等连接方式。 下面为具体的加固方案。

2.1 裂缝处理

现场调查确认盖梁外观缺陷， 对已发现的裂缝采用裂缝修补胶进行封闭。修补方法：对于裂缝宽度＜0.15 mm的采用裂缝修补胶表面封闭法进行封闭； 对于裂缝宽度≥0.15 mm 的采用压力灌注法进行封闭处理。

2.2 盖梁底压力注胶法粘贴钢板

盖梁底粘贴16 mm 厚Q345B 型钢板，并在相应位置钻孔预埋胶粘模扩底锚栓。钻孔前需用钢筋探测仪，扫描标示盖梁内钢筋位置，钻孔埋设锚栓应避开钢筋位置，同时在钢板相应的位置钻孔。 安装锚栓固定钢板在盖梁底面， 钢板与盖梁混凝土表面间采用压力注胶法灌注结构胶液粘结，对盖梁底全梁粘贴钢板(图2～3)。

2.3 盖梁底架设钢板托架

钢板托架采用20 mm 厚Q345B 型受力钢板与10 mm厚连接钢板焊接而成，长度为300 cm，宽度为102 cm，高度为50～100 cm。 托架钢板应提前加工。 安装托架时先对盖梁端施加400 kN 反压力，再安装固定钢板托架，托架与盖梁底粘贴钢板、墩柱外包钢板焊接，该处焊缝采用熔透焊，墩柱外包钢板采用两片钢板环形抱箍，两片钢板采用高强螺栓连接，为增加环形钢板与墩柱的可靠连接，之间采用压力注浆。 所有焊缝质量合格方可卸去反压力。

图2 加固构造立面

图3 加固构造侧面

2.4 防锈漆

所有加固施工完成后， 应在加固钢材的表面刷涂防锈漆。

3 加固盖梁受力分析

本文采用Midas Civil 有限元分析软件就加固前后盖梁的受力情况进行数值模拟分析。 加固前盖梁结构如图4 所示。

图4 未加固盖梁受力图

3.1 加固后盖梁数值分析模型的建立

加固后盖梁按连续梁计算。 数值分析模型中盖梁与钢结构支承梁均采用梁单元模拟； 钢结构支撑梁根部固结，盖梁悬臂与钢结构支撑梁通过只受压弹性连接模拟；将最不利车辆荷载效应等效为集中力作用于盖梁悬臂段，同时考虑钢支撑荷载效应(如图5 所示)，经计算可知力臂长度为2.1 m。 数值分析模型如图6 所示。 通过有限元分析模型计算可得加固后盖梁的最不利受力位置(边墩截面1-1 和钢支撑点2-2)的截面内力。

图5 钢支撑荷载效应图

图6 加固后组合梁计算模型

3.2 加固后盖梁受力性能结果分析

根据盖梁受力特点， 加固前边墩墩顶对应的盖梁截面(1-1)内力最大，加固前后需要对其进行承载力验算；考虑到加固时施加的400 kN 反压力的作用效果与上部结构主梁的布设位置， 确定加固后盖梁中的2-2 截面同样受力较为不利， 因此在加固后的截面抗力验算中除考虑墩顶对应的1-1 截面外， 还需对2-2 截面的抗力进行验算，确保结构的运营安全。

3.2.1 抗弯承载能力及裂缝验算

盖梁属于受弯构件， 需要对比最不利荷载组合下盖梁所受弯矩γ0Md与其抗弯承载力MR以及构件最大裂缝宽度与裂缝限值，分析其是否满足规范[9]要求。

表1 抗弯承载力验算结果

表中加固前后盖梁截面承载力均按保守计算。 由表1 可知， 加固后1-1 截面所受弯矩γ0Md与加固前相比减小了47.78%，并且加固后1-1 和2-2 截面弯矩均小于截面抗弯承载力。

加固后结构裂缝的验算结果如表2 所示：

表2 裂缝验算结果

盖梁在加固前最大裂缝宽度超过了规范规定最大裂缝宽度的要求。 加固后，1-1 截面处的最大裂缝宽度下降至0.12 mm，减小了45.62%，加固后1-1 和2-2 截面接缝宽度均满足规范要求， 该加固方案可有效减小盖梁的裂缝宽度。

3.2.2 抗剪承载力验算

根据规范[9]5.2.11、5.2.12 规定，受弯构件抗剪承载力需满足下式要求：

同时，抗剪承载力VR应大于最不利荷载组合下盖梁内力值γ0Vd。 表3～4 分别列出了受弯构件抗剪承载力验算与截面抗剪承载力验算的分析结果。

表3 受弯构件抗剪承载力验算结果

表4 抗剪承载力验算结果

加固后两个主要受力位置的抗剪承载力均满足要求。并且由于钢支撑对盖梁压力的作用，使1-1 截面的剪力值减小了63.78%，明显减小了边墩截面的剪力。

3.2.3 钢支撑验算

钢支撑为受弯构件，假设内力均由钢支撑承受γ0My=2169 kN·m。 由规范[10]5.3.1 规定，钢支撑弯曲正应力γ0σx应小于抗弯强度设计值fd。 根据上述要求，表5 列出了加固方案中钢支撑构件的应力验算结果。由表可知，钢支撑构件的弯曲正应力满足规范要求。

表5 钢支撑弯曲正应力验算结果

4 结语

本文以福州市琴亭高架桥车道改造工程为研究背景， 对因车道改造导致盖梁承载力无法满足设计要求的情况， 提出了盖梁底部全梁粘贴钢板并配以墩柱顶部增设钢板托架的加固方案，并对其加固效果进行了分析，结论如下：

(1)经计算分析可知，加固后的盖梁其承载能力与抗裂性能均满足相关规范要求； 其中墩顶位置对应的盖梁最不利受力位置的内力改善效果明显， 主要结构反应均减小50%左右；

(2)该加固方案施工简便快捷，对交通影响较小，结合加固效果证明该方案对盖梁受力性能的提升效果显著，可为今后同类工程的推广提供参考。