桥梁加固设计浅析
2015-04-03
一、概述
近年来，我国桥梁建设事业的飞速发展，桥梁结构的使用荷载日益增大，大批既有桥梁结构也进入了老化期，数量庞大的老化期桥梁不可能全部拆除新建，因此桥梁检测与加固也越发显得格外重要。
桥梁结构随着使用时间的延续，受结构设计和施工的不当、使用条件变化及环境侵蚀等因素的影响，都会使结构受到不同程度的损伤，造成桥梁病害，使结构性能退化，使用功能逐步降低乃至完全丧失。产生病害的主要因素如下：
1、设计考虑不周造成桥梁结构原始性缺陷，如结构型式不合理；断面及钢筋布置不合理；对一些特殊结构如收缩徐变、温度、水化热及基础变位等因素考虑不足。
2、施工质量问题导致桥梁结构损伤，如原材料质量不合格、混凝土浇筑不密实、混凝土浇筑顺序不当、预应力钢束张拉控制不当、预应力孔道灌浆不饱满、脱模时间控制不当、混凝土接头位置设置不合理等。
3、交通超载造成桥梁损伤。桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题，超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。在解决汽车超载问题的同时，一些已受到严重影响的桥梁的加固问题也迫在眉睫。
桥梁在使用过程中材料的退化，产生桥梁病害，如混凝土的碳化及钢筋的锈蚀。
桥梁加固的主要目的是恢复桥梁的使用功能、提高承载力、增强安全耐久性。桥梁加固就是通过一些有效的措施，使受损桥梁结构恢复其原有的技术功能，以满足新的承载条件和使用功能的要求。加固方案是加固设计的核心内容，加固方案确定的主要内容是根据旧桥的主要病害，在解决原桥病害的基础上保持原桥的稳定性和建筑的美观性。
二、桥梁概况及主要病害
本项目桥跨越多股铁路，有主桥和南、北引桥组成。设计荷载为汽-20，挂车-100。主桥上部结构采用65.94+100+65.94m三孔变截面预应力混凝土连续箱梁，桥梁上部结构采用三向预应力混凝土结构。横断面采用单箱单室断面，顶板宽度为12.5m，底板宽度为6.9m，翼缘板宽度为2.8m。箱梁中支点处梁高5.5m，跨中及合拢段梁高为2.3m。经现场检测，主桥主要存在以下病害：
1、桥面铺装及伸缩缝：主桥多处桥面铺装损坏严重，存在开裂、破损等病害；桥梁伸缩缝存在局部破损、缺失等现象；桥面防撞墙存在开裂、破损露筋及锈蚀等病害。
2、箱梁外表面开裂：主桥混凝土箱梁开裂现象严重，检测结果表明西幅桥主桥第3跨箱梁腹板处有两条沿腹板向上约45度方向的斜裂缝。裂缝情况参见下图：
3、箱梁内表面开裂：2009年和2010年外观检测时发现主桥箱梁内部存在大量裂缝，箱梁内部的裂缝存在以下特点：
①各跨箱梁腹板和顶底板均有裂缝。
②箱梁腹板裂缝主要为斜向裂缝，越靠近跨中倾斜角度越小，在跨中4m范围内为竖向裂缝；箱梁顶板裂缝为顺桥向裂缝，箱梁顶板裂缝主要集中在各幅桥箱梁中心线附近。
③除东幅桥跨中少数裂缝有渗水现象外，其它各裂缝尚未发现渗水现象。
通过现场检测，在试验荷载作用下主桥箱梁剪应力校验系数在0.79～0.86之间、跨中断面及墩顶附近箱梁断面的应力校验系数在0.64～0.90之间、主桥挠度校验系数在0.84～0.97之间，表明大成桥主桥抗剪强度、抗弯强度和结构刚度满足设计荷载要求。但主桥部分测点的挠度校验系数超过了0.90，表明主桥箱梁抗弯刚度富余量不多，建议尽快进行修补加固。通过对原桥的计算复核，印证了上述的试验结果，本桥目前虽然按限载15T进行运营，但实际上长期有大量超载重型车辆过桥，使本桥的工作性能进一步恶化。
三、桥梁加固方案
根据上述病害，本桥的加固目标是提高桥梁的抗弯和抗剪承载力，提高结构刚度；改善箱梁腹板的主拉应力状况，避免开裂情况进一步开展；增大箱梁的最小压应力储备，增大安全储备。桥梁结构自重很大，而且一般均为带载加固，原构件自重及先期恒载产生的内力由原构件承担，活载及后加恒载产生的内力由加固后的组合截面承担，加固设计计算必须考虑加固前后分阶段受力的特点，因此应在满足加固目标的条件下，尽可能减少加固荷载。
目前桥梁加固的方法很多，如增大截面法、粘贴高强复合纤维法、预应力加固法、改变结构体系加固法等，单纯的增大截面会增大加固荷载，降低加固效果。本桥刚度加固为主，强度加固为辅，采用粘贴高强复合纤维加固，对结构的刚度提高不大。预应力加固技术施工方便，经济可靠，能有效地提高现有桥梁的承载力，改善结构使用性能，是一种主动加固的有效方法。针对本桥实际情况，经反复论证采用适当增大截面提高结构刚度，结合预应力主动加固的设计方案。
经过多次模拟分析，确定预应力钢束配置方案。为提高结构刚度，抑制运营阶段腹板裂缝的发展，在箱梁腹板内侧浇筑25cm厚C50微膨胀混凝土，同时在中跨和边跨的每道后浇混凝土中设置2束22φs15.2mm的高强度低松弛镀锌钢绞线，通过合理布置钢束线形，提高正截面抗弯和斜截面抗剪能力。所有腹板钢束采用钻孔方式通过主墩横梁，并交叉锚固在主墩横梁的两侧斜锚块上。
为改善底板的受力状态，在底板上增设体外预应力。体外预应力加固是通过增设体外预应力索(包括钢绞线、高强钢丝束和精扎螺纹钢筋) 对既有混凝土构件主动施加外力，以改善原结构的受力状况的加固方法。本桥在中跨箱梁底板顶面设置10束22φs15.2mm的高强度低松弛镀锌钢绞线；边跨箱梁底板顶面设置2束22φs15.2mm的高强度低松弛镀锌钢绞线，体外预应力束沿底板顶面平行设置，锚固于混凝土齿板上。通过在底板顶面设置体外钢束，可以在不大幅度增加恒载的基础上，达到改善桥梁受力状态的效果。
四、结语
1、本桥通过加固改造后，经近2年的运营，使用状况良好，未见新的病害，说明通过适当增加加固荷载提高结构刚度，配合预应力主动加固的设计方案，对本桥的病害是完全合适的。
2、桥梁加固必须考虑分阶段受力特点，加固计算中应充分模拟分阶段受力对构件计算结果的影响。
3、加固前应尽可能卸载，通过预应力加固的方法，主动调整桥梁的受力状态，提高结构的承载能力和使用性能。
4、体外预应力加固的方法在恒载增加很少的情况下，能够较大的提高承重结构的刚度和抗裂性能，且对墩台基础受力的影响较小，能够取得较好的加固效果，但需要注意体外索要具有可更换性和很好的防腐性；与有粘结预应力束比较，体外束的预应力损失要小，设计时应对体外束的有效应力进行很好的控制，避免钢束处于长期的高应力工作状态。
参考文献：
[1] 张树仁. 从被动加固到主动加固的思考
[2] 公路桥梁加固设计规范
