桥梁承载能力加固合理安全储备研究

余 敏

（平利县交通运输局，陕西 安康 725599）

预制装配式简支变连续箱梁结构装配化程度高，结构整体受力性能良好[1]，能够很好地满足高等级公路行车高速、平稳、舒适的要求，在国内外建设中应用广泛。受到设计荷载标准随规范的变化和提升[2]、建设年代条件所限、设计过于追求经济性、施工不规范或不当、车辆超载、结构材料的劣化以及养护不及时等多种原因，造成预制箱梁结构病害较突出，典型病害为底板横向、纵向裂缝，腹板竖向、斜向及纵向裂缝，以及顶板纵向裂缝等大量病害，导致结构出现耐久性下降、承载能力不足、刚度降低等一系列问题[3]，直接影响结构安全。

目前的研究主要集中于加固方法[4]及其优选[5]，同时温树林等[6]对在役桥梁加固经济性指标开展研究，但是对加固合理的安全储备缺乏相应的研究。装配式预应力混凝土箱梁的加固维修需要一般分为荷载等级提升需要、补充或保持一定承载能力安全储备需要、结构抗裂性改善需要和结构刚度提高需要。而目前该部分的研究空白，不能有效指导桥梁加固工程。合理的安全储备是进行加固方法优选决策的前提，因此需深入研究结构加固合理安全储备及设置策略。

1 承载能力评定检测参数

桥梁加固前的承载评定按照JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》进行。

结构固有模态参数、构件表观质量状况、混凝土强度等11个检测参数共同确定既有桥梁的结构承载能力抗力。每个参数又分为1-5个标度（1标度代表参数完好，5标度代表该参数最差）进行评定。而检测参数会随着桥梁运营年限的增加而不断恶化，标度升高，引起结构承载能力降低，导致结构承载能力不满足相应荷载等级的要求。

2 承载能力合理安全储备研究

对于待加固结构而言，加固程度并非越高越好，结构最终的承载能力理想状况下应取决于原结构，过大的承载能力提升不但造成材料浪费，而且会对原结构局部受力造成不利影响。

桥梁结构加固前需按照规范进行承载能力评定，根据承载能力评定得到结构受力状态，进而确定合理的加固方案。而加固后结构可能随着时间的推移再次产生病害导致检测参数的恶化，又需按照评定规程重新进行承载能力评定。因此本文研究思路是在加固设计阶段即考虑后期运营阶段承载能力评定相关检测参数标度上升后结构仍然能满足规范要求，以达到合理加固的目标，避免加固目标确定的盲目性。

2.1 承载能力评定检测参数敏感性分析

影响结构承载能力抗力的检测参数有11个，但是各参数对结构承载能力影响程度不同，因此进行检测参数对结构承载评定的影响程度进行了研究。

通过广泛调研了预制装配式箱梁、T梁、空心板、实心板及现浇结构的承载能力评定情况，根据大量资料调研承载能力评定参数中，其中结构的缺损状况、材料的强度、氯离子含量、沿钢筋裂缝以及保护层厚度问题较突出，评定中的标度较高，因此对以上参数进行敏感性分析。以20 m装配式预制箱梁为例，承载能力评定检测参数敏感性分析如图1所示。由图可知，结构的缺损状况和材料强度对结构的承载能力评定影响最显著，而缺损状况下降是实际结构存在的常见问题。

图1 检测参数的敏感性分析

在加固工程加固中以影响较大检测参数标度上升为控制因素确定合理加固安全储备，后期运营中即使相关检测参数上升后结构承载能力仍然可以满足规范的要求，使加固目标的确定有据可依。

2.2 承载能力安全储备确定

以对承载能力影响较大同时也是实际工程中最易出现问题的缺损状况和材质状况为基本参数，通过控制检测参数下降后结构仍能满足规范要求，达到控制合理的加固安全储备的目的，对中小跨径桥梁开展充分检测分析，结果表明结构承载能力评定值为原承载能力的99%~87%，即承载能力降低了1%~13%（缺损状况和材质状况一般均下降2个标度）。因此一般推荐结构加固承载能力储备不小于13%。保证桥梁结构加固后结构经过较长时间运营其检测参数下降后结构仍然能满足规范要求。

3 依托工程应用研究

3.1 依托工程简介

某特大桥位于西安绕城高速南段，修建于2002年，全长3 245 m，中心桩号为K68+224，上部结构采用（40.19+8×40.34）m预应力混凝土简支箱梁+13×（40.34+2×40.3+40.34）+[（40.34+40.3+32.15+32.19）（右半幅）（32.19+32.15+40.3+40.34）（左半幅）]+2×（30.24+3×30.2+30.24）m预应力混凝土连续箱梁+5×30.24 m预应力混凝土简支箱梁+（30.24+4×30.2+30.14）m预应力混凝土连续箱梁；桥梁的设计荷载等级：汽车-超20，挂车-120级。

在2014-2015年度绕城高速公路长大桥梁检测中发现，在桥梁连续梁桥跨结构中部分主梁腹板、翼板和底板出现了纵向裂缝；部分主梁出现了腹板竖向裂缝，少数主梁底板存在横向裂缝，并与腹板裂缝贯通，呈U型分布；个别薄壁空心墩盖梁也出现了超限的竖向裂缝；全桥局部混凝土出现破损露筋等病害，影响桥梁耐久性和安全性。

3.2 原桥承载力评定

采用通用有限元软件建立结构有限元模型如图2所示，各控制断面承载能力极限状态验算见表1。另按部分预应力A类构件计算，主梁抗裂性满足设计要求。

表1 承载能力极限状态验算 单位：kN·m或kN

图2 结构计算模型

桥梁已运营10余年，原桥设计荷载等级为汽车-超20，挂-120级，受到重载通行、结构尺寸相对较保守、运营环境等因素的影响，导致结构出现了主梁竖向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝、横向裂缝及湿接缝纵向裂缝、斜向裂缝。从检测、荷载试验结果及结构分析结论可知，主梁目前按照承载能力折减后计算结果已经不能满足原设计规范及现行设计规范的要求，亟待处置。

3.3 合理安全储备确定

按照第2节中承载能力安全储备控制的相关要求，针对目前结构实际受力状态和结构验算结果，确定了承载能力合理安全储备大于13%。按照这一思路对该结构采用4种方案进行比选，分别是钢板-混凝土组合加固、体外预应力加固、预应力碳纤维板加固及粘贴钢板加固。对4种方案从特点、加固、效果、工艺、要求、对交通影响、工期等方面进行了综合优选。

根据结构优选结果以及该桥规模较大各跨结构实际差异较大等特点，最终确定对于病害严重的箱梁所在联采用钢板-混凝土组合加固，对于其他主梁采用造价较低的体外预应力主动加固方案，加固后进行结构计算分析，结果见表2。加固后结构验算结果均满足规范要求，同时承载能力储备均大于13%，能够确保结构长期运营后满足设计要求的目的，达到了加固合理安全储备控制的要求。

表2 加固后承载能力极限状态验算 单位：kN·m或kN

3.4 体外预应力结构分析

采用有限元软件对体外预应力加固箱梁锚固区进行安全验算，锚固区结构尺寸、材料、体外束锚固位置、张拉力根据设计图纸取值。锚固区应力如图3所示。

图3 体外预应力锚固区应力云图

计算结果表明，锚固区域存在应力集中现象，局部拉应力值较大，最大值为3.65 MPa，位于锚固区后方0.5 m范围内，因此对锚固区进行了特殊设计，增加了加劲肋、T型抗剪构件及加强锚栓等构造，改善了局部受力，保证了结构安全。

3.5 加固效果验证

为验证加固效果，对加固前、后结构荷载试验结果进行对比分析，为使加固前后荷载试验结果具有对比性，加固后荷载试验测试截面、加载模式、车辆重量及测点布置方案与加固前荷载试验一致。加固前后荷载试验理论计算采用上节有限元模型。

对该桥30 m简支梁开展加固前后荷载试验的对比分析，跨中截面加固前后变形和应变的理论值与实测值对比如图4和图5所示。加固后挠度及应变理论值明显较小，且变形和应变的校验系数显著减小，达到了提升结构刚度和改善结构受力状态的目的。

图4 变形对比

图5 加固前后应变对比

本桥加固后已经安全运营6年，运营至5年时进行了承载能力评定，结构缺损状况、沿钢筋裂缝均上升了1个标度，承载能力评定值降低了约4%，但本桥安全储备达到了21%，结构的承载能力仍然满足规范要求并且有较高安全储备，进一步验证了本文成果的可靠性。

4 结束语

本文研究了基于评定规程的合理承载能力安全储备，通过调研标度上升概率较大的检测参数，分析其对承载能力影响的敏感性，以对承载能力影响较大同时也是实际工程中最易出现问题的缺损状况和材质状况两个参数为基础建立了加固工程承载能力合理加固储备控制方法，提出承载能力提升安全储备不小于13%，确保结构长期运营检测参数降低后结构仍然能满足规范要求。

对依托工程进行了承载能力评定，确定了承载能力合理安全储备，对病害严重的箱梁所在联采用钢板-混凝土组合加固。对加固桥梁进行了加固前后荷载试验对比。结果表明该桥采用加固后，结构强度、刚度等指标均有一定幅度的提升并满足规范要求，有效地控制了结构合理的安全储备，同时加固后运营多年结果也进一步验证了研究成果的可靠性。