改扩建工程中大挖空率空心板桥力学性能分析及加固方案研究

张浩

（中交通力建设股份有限公司，山西 西安 710075）

0 引言

桥梁的拼接加宽是道路改扩建工程中一项十分重要的技术，在加宽计算中，对拼宽后新桥的加固计算较为复杂，不能完全按照新规范计算，同时还涉及新老规范的对接，目前常规的做法是，采用新规范计算拼宽后新桥承载能力极限状态，按照旧规范计算拼宽后新桥的正常使用极限状态，本文同时采用新旧规范计算拼宽前后桥梁的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行对比计算研究，并且根据计算结果，研究空心板的加固方案。

1 工程概况

深海高速阳茂段全长79.76km。阳茂高速公路按速度120km/h，双向四车道高速公路标准设计，于2002年8 月动工，于2004 年11 月建成通车，近年来随着经济的发展，广湛高速公路的交通量急剧增加，部分路段甚至已超出原来的设计流量，据相关资料显示，阳茂高速2015 年全线平均交通流量已超过45 000pcu/d，个别路段超过50 000pcu/d，服务水平严重下降，已不能适应现状及未来交通发展的需要，因此组织对本高速公路进行拼接加宽改造。

既有桥梁采用大挖空率的空心板，为4×20m 预制安装的预应力混凝土空心板桥，横向8 片主梁。扩建后，横向拼宽8.75m，共计15片主梁。计划破除既有桥梁现浇层，拼宽后统一浇筑新的现浇层，现对既有空心板进行计算，研究其是否可以进行拼宽利用。

拼宽前主梁截面特性：中板-抗扭惯性矩为18.20E+06cm4，抗弯惯性矩为9.05E+06cm4，边板-抗扭惯性矩为24.49E+06cm4，抗弯惯性矩为10.17E+06cm4。

拼宽后拼接板主梁截面特性为12.19E+06cm4，抗弯惯性矩为9.12E+06cm4。

2 规范及工程材料

计算所参照的设计规范有：《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）、《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）、《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—1989）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）。

预制空心板、现浇湿接横梁、现浇整体化层采用C40 混凝土，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）验算时，强度按现行规范进行折减。桥面铺装采用沥青混凝土。钢绞线采用低松弛高强度预应力钢绞线，符合《预应力混凝土用钢铰线》（GB/T 5224—2003） 的规定。单根钢绞线直径ϕ=15.2mm，钢绞线面积Ap=139mm2，标准强度fptk=1860MPa，普通钢筋采用 HRB335 和 R235 钢筋。

3 结构计算

3.1 模型建立

建立4×20m 边板和中板单片主梁杆系模型，各片板共计54 个单元，移动荷载按横向分布系数加载。为了施工方便提出简化加固拼宽方案，即原主梁布置不变，去掉整体化层，架设加宽梁，重新做现浇整体化层。同时考虑到承载能力问题，拼宽后采用10cm 和15cm 两种铺装层厚度，并对此方案是否可行进行深入研究。

3.2 横向分配系数计算

按铰接板梁法计算的横向分布系数见表1。

表1 空心板汽车荷载的横向分布系数

3.3 承载能力和正常使用极限状态计算

（1）拼宽前旧桥检算

按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）计算空心板承载能力极限状态验算结果（边、中跨最不利布置）见表2，其中整体化层10cm，计5cm受力。

表2 拼宽前承载能力极限状态验算

按《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—1989）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 023—85） 计算空心板正常使用极限状态验算结果（边、中跨最不利布置）见表3，其中整体化层10cm，计5cm受力。

表3 拼宽前正常使用极限状态验算

（2）拼宽后旧桥检算

按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）计算空心板承载能力极限状态验算结果（边、中跨最不利布置）见表4，其中整体化层10cm，计5cm受力。

表4 拼宽后承载能力极限状态验算

按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）计算空心板承载能力极限状态验算结果（边、中跨最不利布置）见表5，其中整体化层15cm，计10cm受力。

表5 拼宽后承载能力极限状态验算

按《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—1989）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 023—85） 计算空心板正常使用极限状态验算结果（边、中跨最不利布置）见表6，其中整体化层10cm，计5cm受力。

表6 拼宽后正常使用极限状态验算

按《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—1989）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85） 计算空心板正常使用极限状态验算结果（边、中跨最不利布置）见表7，其中整体化层15cm，计10cm受力。

表7 拼宽后正常使用极限状态验算

3.4 计算结果

（1）拼宽后横向分布系数整体减小，靠近拼宽侧板横向分布系数减小明显，波形护栏一侧板横向分布系数仅减小0.001，拼宽后原内边梁为最不利荷载位置。

（2）旧桥检算：新规范检算，边板、中板承载能力均不满足。其中边板边跨承载能力欠缺19.06%，边板中跨承载能力欠缺21.96%；中板边跨承载能力欠缺14.06%，中板中跨承载能力欠缺15.26%；墩顶负弯矩区段承载能力均满足要求。正常使用极限状态满足要求。

（3）拼宽后新桥检算：整体化层取10cm，计5cm受层力，边板、中板承载能力均不满足。其中边板边跨承载能力欠缺17.57%，边板中跨承载能力欠缺20.69%；中板边跨承载能力欠缺12.26%，中板中跨承载能力欠缺13.64%。墩顶负弯矩区段承载能力满足要求。

（4）拼宽后新桥检算：整体化层取15cm，计10cm层受力，边板、中板承载能力均不满足。其中边板边跨承载能力欠缺16.56%，边板中跨承载能力欠缺21.15%；中板边跨承载能力欠缺13.84%，中板中跨承载能力欠缺10.66%。墩顶负弯矩区段承载能力满足要求。

4 加固方案研究

因为旧桥按照新规范，并且考虑结构损伤，拼宽后采用的简化加固方案不能满足新规范的承载能力要求，因此需要采用更为复杂的加固方案。

4.1 去梁增肋方案

去梁增肋加固法是针对多梁式桥梁提出的一种新颖的体系加固法。去梁增肋加固法是去掉个别主梁，剩余主梁在原桥梁宽度范围内均匀分布，主梁之间新增预应力混凝土梁肋。新肋与旧梁通过新增桥面铺装形成横向刚度。通过张拉新梁预应力，调整原主梁应力状态，达到改善桥梁荷载横向分布，增强横向刚度，提高承载力或改善正常使用阶段受力状态的目的。在研究过程中，根据新旧梁之间的联结关系，分别提出了去梁增肋刚接梁法和去梁增肋铰接梁法，即新旧梁之间分别采用刚接方式和铰接方式连接。

本项目提出去掉损害最严重的7号梁，拉大主梁横向间距，在主梁之间做钢筋混凝土现浇结构和桥面铺装层现浇为整体，提高结构的承载能力。

4.2 体外预应力方案

旧桥混凝土老化，强度降低，与预应力钢筋的黏结强度下降，导致预应力损失，截面混凝土产生拉应力，使得裂缝开展，挠度增大。同时裂缝的开展，空气中的水和二氧化碳等进入截面，产生钢筋锈蚀，加快混凝土老化，进而使得承载能力逐渐降低，因此提出采用体外预应力方案。

增加体外预应力等于增大了截面的受压区高度，使得受压区有更多的混凝土参与承载能力的贡献，即受压区高度刚好满足界限受压区高度，这样就能最大限度地发挥梁的受力能力。同时体外预应力可以使已经开裂的混凝土闭合，减小空气雨水对钢筋的锈蚀，提高梁的耐久性。

4.3 简支结构转连续结构方案

旧梁为简支的先张法预应力混凝土梁，在使用过程中预应力损失，混凝土老化等，结构存在挠度大和承载力下降的双重问题，加之先张法钢束不上弯，不能更好地参与抗剪，使支点截面产生抗剪能力不足的现象。因此对于多跨简支体系的先张法板桥提出另外一种方案，即体外预应力加简支转连续的组合方案。

假定主梁承受均布荷载q，通过简支梁计算可以得到主梁跨中弯矩为M=0.125ql2，采用3跨一联进行加固，两侧边梁布置均布荷载，则边梁跨中最不利弯矩为M=0.101ql2，则跨中弯矩可减小19.2%。对于承载能力仅小于规范规定值不多的梁，此方案可满足加固要求。

4.4 预应力碳纤维板粘贴方案

混凝土桥梁病害的主要表现形式为受拉区混凝土开裂、结构下挠，甚至会产生较多的横向贯穿裂缝，水汽会通过裂缝腐蚀钢筋，加速桥梁病害发展。以前传统的粘贴钢板的方法使用较多，加固钢板的作用等同于受拉纵筋，在梁底粘贴加固钢板后可提高梁截面配筋率和桥梁承载能力，有效增大结构刚度。但这种方案是一种被动加固方案，只有在梁变形的情况下，钢板才会受力，对于挠度已经较大的梁则无法满足受力要求。此外，钢板粘贴困难、锈蚀、自重大等缺点也是非常突出的，随着新材料的产生逐渐用碳纤维板代替钢板用于桥梁的加固工程中。

预应力碳纤维板加固法是一种以体外预应力的形式粘贴梁底，是一种主动加固方案，碳纤维板质量轻，强度高，耐腐蚀性强，且相比钢板更容易施工和粘贴，用于梁底可有效减小混凝土梁体拉应力，抑制裂缝发展，进而提高桥梁承载能力，减小结构变形，且可在不封闭交通的情况下进行施工，适用性强。

5 结语

通过计算，旧桥拼宽后，旧桥横向分布系数外边梁减小最大，内边梁减小最小，外边梁成为受力最不利主梁；按新规范计算边板、中板承载能力均不满足要求，因此不能直接利用原空心板进行拼宽，需对既有主梁进行加固。

整条线路桥梁多，空心板数量大，采用单一的加固方案不适宜，经过研究，选取去梁增肋方案、体外预应力方案、简支结构转连续方案、预应力碳纤维板粘贴方案进行单独加固或组合加固。因此最终加固方案需对每一片梁进行评定，从而选用最优方案。对于承载能力下降严重、裂缝开展较大的三类、四类桥梁需采用预应力碳纤维板粘贴方案，对于承载能力下降多，裂缝开展不明显的桥梁采用去梁增肋方案，对于裂缝开展不严重，跨中挠度大的梁采用体外预应力方案，对于预应力损失大、无裂缝开展的梁采用简支结构转连续结构的方案。