城市高架橋隱式蓋梁加固設計與分析

陽 琴

(福州市規劃設計研究院集團有限公司，福州 350108)

經濟的快速發展對交通通行能力提出了更高的要求。 早期建造的橋梁因其設計荷載等級偏低現已很難適應交通量快速增長的要求。 本著工程結構綠色可持續發展的設計理念，在充分利用已有結構承載能力的基礎上，結合先進有效的加固改造技術， 舊橋的加固改造已成為解決現有交通瓶頸的重要手段。

作為橋梁的重要組成構件， 蓋梁即是承重構件同時又承擔著荷載傳遞的任務。 交通量的增加、 上部結構的改造等情況都會影響蓋梁的受力性能， 甚至危害到上部結構安全，因此蓋梁加固就顯得十分重要。目前對蓋梁加固措施主要有：粘貼纖維復合材料加固法[1-2]；粘貼鋼板法[3]；增大截面加固法[4-5]；施加體外預應力法[6-7]；增加受力構件法[8]等。 粘貼纖維復合材料加固法與其他加固技術相比具有自重小、施工周期短、耐久性好的優點，但是纖維復合材料本身缺乏延性， 加固方案的選擇還應該考慮其脆性的特點； 粘貼鋼板法能夠提高原有構件的剛度和承載力， 并使裂縫的發展得到約束， 施工工藝簡單快捷， 但是需要注意的是鋼板要在原構件鋼筋屈服才能發揮作用， 因此該方法是一種被動的方法；增大截面法具有很強的適用性， 原構件的強度與剛度、穩定性、延性等性能可得到良好改善，但其缺點表現為施工周期長， 會對交通產生較大影響； 施加體外預應力法通過對原有截面消減荷載， 能使原有構件的承載力顯著提高， 但該方法受原構件形式、 錨固方式及施工條件的影響較大； 增加受力構件法中最常用的是對原構件增設支點來改變原有構件的受力方式，該方法可改善構件薄弱處的受力， 其缺點是對于有嚴格的凈空要求的結構不適用。 由于橋梁結構本身及建造環境的差異性， 不同加固方法的加固效果存在差異，根據實際橋梁的情況選擇合適的蓋梁加固方法尤為重要。

本文以福州市琴亭高架橋車道改造工程為例， 結合橋梁實際使用性能和現場交通狀況， 擬采用增加受力構件改變受力體系和粘貼鋼板的綜合加固設計法， 即采用蓋梁底部全長度壓力注膠法粘貼鋼板結合墩柱兩側增設鋼板托架形成對蓋梁的有效支承(同時大大減少蓋梁懸臂長度)的加固方案，借助數值分析方法計算蓋梁的內力效應，對加固前后蓋梁的承載力進行分析，進而驗證加固方案的有效性。

1 工程概況

福州市琴亭高架橋位于福州五四路至秀峰路間，2000 年竣工通車。全橋共11 聯56 孔，橋寬25 m，標準跨徑20～25 m，含引道全長1455.88 m，雙向四車道。 上部結構為B 類部分預應力混凝土工字形簡支梁； 下部結構采用三樁柱排架墩接蓋梁形式，蓋梁采用隱式蓋梁，蓋梁高度為123 cm 或100 cm，寬度均為170 cm。 設計荷載為：汽-超20。 設計行車速度為60 km/h。 本橋作為福州北向二環至三環的重要節點，交通繁忙而且重型車輛較多。

2016 年二環五四改造工程為福州二環至三環快速化關鍵工程，而琴亭高架橋改造則為重要節點，高架橋橋面由雙向4 車道改造為雙向6 車道， 即車道布置形式發生改變，拆除現有兩側人行道和非機動車道，改造成6 車道。 改造后橋面橫向布置為：0.5 m(防撞欄桿)+11.75 m(機動車道)+0.5 m(中央分隔欄)+11.75 m(機動車道)+0.5 m(防撞欄桿)；車道改造前后橋面橫向布置情況分別見圖1。

圖1 車道改造前后布置圖

車道布置改變勢必改變全橋的受力情況， 尤其是橋墩蓋梁。由于原蓋梁懸臂較長，汽車偏載作用下會導致懸臂根部截面受力遠大于原設計效應，威脅到橋梁安全，因此有必要依據改造后的車道分布對現有蓋梁進行加固，從而滿足承載力要求，確保橋梁結構運營安全。

2 蓋梁加固方案

由于本橋使用年限較久， 且加固期間必須保證交通通暢，因此對加固方案提出了較為嚴格的要求。基于確保橋梁安全的原則，較少影響現有結構，同時本蓋梁為隱式蓋梁，加固面有限，僅蓋梁底面可以加固，橋下有較大加固空間， 綜合上述因素較為適宜在梁底采用增加受力構件法加固， 本次蓋梁加固設計擬采用增加鋼板托架受力構件的方式，為保證受力托架可靠連接，在蓋梁底面采用粘鋼， 鋼板托架與墩柱之間采用環形抱箍加壓力注漿等連接方式。 下面為具體的加固方案。

2.1 裂縫處理

現場調查確認蓋梁外觀缺陷， 對已發現的裂縫采用裂縫修補膠進行封閉。修補方法：對于裂縫寬度＜0.15 mm的采用裂縫修補膠表面封閉法進行封閉； 對于裂縫寬度≥0.15 mm 的采用壓力灌注法進行封閉處理。

2.2 蓋梁底壓力注膠法粘貼鋼板

蓋梁底粘貼16 mm 厚Q345B 型鋼板，并在相應位置鉆孔預埋膠粘模擴底錨栓。鉆孔前需用鋼筋探測儀，掃描標示蓋梁內鋼筋位置，鉆孔埋設錨栓應避開鋼筋位置，同時在鋼板相應的位置鉆孔。 安裝錨栓固定鋼板在蓋梁底面， 鋼板與蓋梁混凝土表面間采用壓力注膠法灌注結構膠液粘結，對蓋梁底全梁粘貼鋼板(圖2～3)。

2.3 蓋梁底架設鋼板托架

鋼板托架采用20 mm 厚Q345B 型受力鋼板與10 mm厚連接鋼板焊接而成，長度為300 cm，寬度為102 cm，高度為50～100 cm。 托架鋼板應提前加工。 安裝托架時先對蓋梁端施加400 kN 反壓力，再安裝固定鋼板托架，托架與蓋梁底粘貼鋼板、墩柱外包鋼板焊接，該處焊縫采用熔透焊，墩柱外包鋼板采用兩片鋼板環形抱箍，兩片鋼板采用高強螺栓連接，為增加環形鋼板與墩柱的可靠連接，之間采用壓力注漿。 所有焊縫質量合格方可卸去反壓力。

圖2 加固構造立面

圖3 加固構造側面

2.4 防銹漆

所有加固施工完成后， 應在加固鋼材的表面刷涂防銹漆。

3 加固蓋梁受力分析

本文采用Midas Civil 有限元分析軟件就加固前后蓋梁的受力情況進行數值模擬分析。 加固前蓋梁結構如圖4 所示。

圖4 未加固蓋梁受力圖

3.1 加固后蓋梁數值分析模型的建立

加固后蓋梁按連續梁計算。 數值分析模型中蓋梁與鋼結構支承梁均采用梁單元模擬； 鋼結構支撐梁根部固結，蓋梁懸臂與鋼結構支撐梁通過只受壓彈性連接模擬；將最不利車輛荷載效應等效為集中力作用于蓋梁懸臂段，同時考慮鋼支撐荷載效應(如圖5 所示)，經計算可知力臂長度為2.1 m。 數值分析模型如圖6 所示。 通過有限元分析模型計算可得加固后蓋梁的最不利受力位置(邊墩截面1-1 和鋼支撐點2-2)的截面內力。

圖5 鋼支撐荷載效應圖

圖6 加固后組合梁計算模型

3.2 加固后蓋梁受力性能結果分析

根據蓋梁受力特點， 加固前邊墩墩頂對應的蓋梁截面(1-1)內力最大，加固前后需要對其進行承載力驗算；考慮到加固時施加的400 kN 反壓力的作用效果與上部結構主梁的布設位置， 確定加固后蓋梁中的2-2 截面同樣受力較為不利， 因此在加固后的截面抗力驗算中除考慮墩頂對應的1-1 截面外， 還需對2-2 截面的抗力進行驗算，確保結構的運營安全。

3.2.1 抗彎承載能力及裂縫驗算

蓋梁屬于受彎構件， 需要對比最不利荷載組合下蓋梁所受彎矩γ0Md與其抗彎承載力MR以及構件最大裂縫寬度與裂縫限值，分析其是否滿足規范[9]要求。

表1 抗彎承載力驗算結果

表中加固前后蓋梁截面承載力均按保守計算。 由表1 可知， 加固后1-1 截面所受彎矩γ0Md與加固前相比減小了47.78%，并且加固后1-1 和2-2 截面彎矩均小于截面抗彎承載力。

加固后結構裂縫的驗算結果如表2 所示：

表2 裂縫驗算結果

蓋梁在加固前最大裂縫寬度超過了規范規定最大裂縫寬度的要求。 加固后，1-1 截面處的最大裂縫寬度下降至0.12 mm，減小了45.62%，加固后1-1 和2-2 截面接縫寬度均滿足規范要求， 該加固方案可有效減小蓋梁的裂縫寬度。

3.2.2 抗剪承載力驗算

根據規范[9]5.2.11、5.2.12 規定，受彎構件抗剪承載力需滿足下式要求：

同時，抗剪承載力VR應大于最不利荷載組合下蓋梁內力值γ0Vd。 表3～4 分別列出了受彎構件抗剪承載力驗算與截面抗剪承載力驗算的分析結果。

表3 受彎構件抗剪承載力驗算結果

表4 抗剪承載力驗算結果

加固后兩個主要受力位置的抗剪承載力均滿足要求。并且由于鋼支撐對蓋梁壓力的作用，使1-1 截面的剪力值減小了63.78%，明顯減小了邊墩截面的剪力。

3.2.3 鋼支撐驗算

鋼支撐為受彎構件，假設內力均由鋼支撐承受γ0My=2169 kN·m。 由規范[10]5.3.1 規定，鋼支撐彎曲正應力γ0σx應小于抗彎強度設計值fd。 根據上述要求，表5 列出了加固方案中鋼支撐構件的應力驗算結果。由表可知，鋼支撐構件的彎曲正應力滿足規范要求。

表5 鋼支撐彎曲正應力驗算結果

4 結語

本文以福州市琴亭高架橋車道改造工程為研究背景， 對因車道改造導致蓋梁承載力無法滿足設計要求的情況， 提出了蓋梁底部全梁粘貼鋼板并配以墩柱頂部增設鋼板托架的加固方案，并對其加固效果進行了分析，結論如下：

(1)經計算分析可知，加固后的蓋梁其承載能力與抗裂性能均滿足相關規范要求； 其中墩頂位置對應的蓋梁最不利受力位置的內力改善效果明顯， 主要結構反應均減小50%左右；

(2)該加固方案施工簡便快捷，對交通影響較小，結合加固效果證明該方案對蓋梁受力性能的提升效果顯著，可為今后同類工程的推廣提供參考。