城市混凝土橋梁加固方案設計及優化分析

文/戚振中

1 前言

城市橋梁在運營過程中，由于材料的特性或環境影響等因素，導致橋梁出現不同程度的變形和損傷，最終導致橋梁承載能力不足而發生破壞。通常情況下，我們將這些損傷和變形定義為橋梁的病害[1]。城市橋梁病害日益嚴重，給橋梁的使用帶來了嚴重影響，甚至造成安全事故。因此，解決城市橋梁病害、對橋梁進行加固設計至關重要。

2 城市橋梁主要病害

2.1 裂縫

裂縫是橋梁病害中最常見也是最危險的病害，且裂縫產生的原因和機理也各不相同[2]。

2.1.1 結構性裂縫

結構裂縫的產生主要是外部荷載作用引起的，裂縫的分布和荷載大小有關。裂縫按受力特性分類可以分為三類，每種裂縫產生的主要原因如表1 所示。

表1 裂縫分析

2.1.2 非結構性裂縫

非結構裂縫的產生是因為結構在變形受到限制時，內部會產生自應力，當自應力大于混凝土的極限抗拉強度值時就會產生裂縫。引起混凝土結構產生自應力的因素有：溫度變化和結構材料自身的收縮徐變[3]。在混凝土的裂縫病害中，主要存在的是非結構裂縫。

2.1.3 混凝土收縮裂縫

混凝土在凝結硬化過程中骨料會不斷擠密壓實，水分不斷蒸發，使結構整體發生收縮變化。混凝土收縮產生的裂縫主要發生在結構表面，由于鋼筋的拉力作用使混凝土裂縫受到阻礙只表現為較小縫隙，一般寬度為0.05～0.2mm，裂縫分布無明顯變化規律。收縮裂縫不影響結構的正常使用，主要影響耐久性和外觀。

2.1.4 溫度裂縫

當橋梁內部溫度隨周邊環境溫度發生變化時，混凝土就會出現收縮和膨脹。橋梁的主要材料鋼筋和混凝土兩者的溫度敏感程度不同，導致自身溫度發生變化，鋼筋和混凝土存在溫差，從而導致結構內力發生改變，最終混凝土出現開裂的現象[4]。

2.2 剝蝕

混凝土橋梁表層結構病害的主要表現形式有：麻面、蜂窩、空洞等。麻面是在混凝土的表層出現漿液缺少但未有鋼筋外露的情況，主要表現為結構表面粗糙。蜂窩病害的主要表現是混凝土局部出現類似蜂窩的孔洞，病害產生原因：設計施工不合理、混凝土的配比偏差較大、混凝土的離析現象等。空洞是構件局部結構混凝土缺失的現象，病害產生原因：配筋保守、混凝土振搗不徹底、混凝土漏漿等。剝落是混凝土砂漿脫落、集料外漏的現象[5]。

3 案例分析

3.1 工程概況

本文所依托的工程為國道328 駐馬店市境跨鐵立交橋，其全長為640m，橋梁共5 聯，結構形式均為箱梁，橋梁的下部結構采用的基礎形式為鉆孔灌注樁，橋面形式為：人行道（2.5m）+行車道（20m）+人行道（2.5m）。設計速度為60km/h，人群荷載為3.5kN/m2。本文依托其第3 聯，橋梁形式為鋼筋混凝土箱梁，雙箱雙室。橋梁立面如圖1 所示。

圖1 橋梁立面圖

3.2 病害分析

該城市橋梁出現病害的主要原因有以下幾點：

3.2.1 該城市橋梁建立時間較早，設計時采用的是舊規范、舊指標，性比于現在的指標要求較低。該橋梁位于城市主干路，承載著該城市的主要交通流量，長時間的荷載作用下，使橋梁混凝土產生收縮徐變、預應力損失以及裂縫等病害，降低了橋梁的抗彎和抗剪承載力，安全性不足。

3.2.2 本文進行加固段橋梁為第三聯箱梁，結構形式為雙箱雙室，除支點附近4m 范圍內加厚外，其他位置頂板厚25cm，底板厚20cm，外腹板厚30cm，板厚偏小，一些截面抗彎、抗剪能力不足。

3.2.3 該橋梁病害位置為下坡路段，且不遠處有一紅路燈，急剎車造成沖擊力較大，對箱梁的影響較大。

3.2.4 該段橋梁的箱梁產生過大撓度，底板混凝土由于開裂嚴重而重新澆注，同時增加了腹板。該結構表明橋梁施工過程中混凝土質量存在缺陷，支架變形造成箱梁施工后出現開裂、下撓等病害。

3.3 承載力分析

通過對該段橋梁進行承載力分析可知：

3.3.1 該段除11 號墩外，其余各段墩頂截面的抗彎承載力均不達標，同時第10 跨墩頂截面的抗剪強度不滿足設計要求[6]。

3.3.2 該段的抗彎和抗剪能力均降低，對抗剪強度影響較大；除11 號墩墩頂截面抗彎能力滿足要求，剩余截面均不滿足要求。

4 加固方案設計

4.1 A 方案設計

該方案設計主要對箱梁進行拆除，保留原有墩臺。新建箱梁尺寸及標高均應與原橋相同，箱梁內設置腹板。該設計橋梁縱坡均通過墩高進行調整，箱梁底鋪設鋼板，保證縱坡與路線縱坡一致，主梁支座應水平；橋面橫坡通過三角墊層調整，滿足橫坡的設計。該設計采用原材料為：預應力混凝土采用C50，人行道采用C30，鋼筋采用HPB300 以及HRB400 的鋼筋，預應力鋼絞線采用直徑為15.2mm，抗拉強度為1860MPa，力學性能應滿足設計要求。經測算A 方案的預算為1450 萬，工期為250d，橋面拆除會造成交通中斷。為保證道路通行，需設置臨時便道，拆除選擇爆破拆除的方式[7]。

4.2 B 方案設計

B 方案采用鋼板－混凝土組合結構，并布置預應力筋加固。在箱梁的腹板外側、底板下側進行包鋼處理，原梁體進行植筋處理，加厚的混凝土內設置鋼束，并對其進行張拉，使原結構與加固結構形成整體，共同受力，充分利用材料的性能優勢，提高混凝土結構的承載能力，增大箱梁截面的尺寸。

經過對加固后的橋梁進行承載能力驗算可知：該段箱梁進行加固后，橋梁的抗彎、抗剪承載力滿足要求，抗彎承載力比加固前提高了53%，抗剪承載力比加固前提高了27%。另外，由行車荷載產生的跨中撓度符合設計要求，撓度值比加固前減小18%以上，截面裂縫寬度也比加固前大幅度減小。經測算A 方案的預算為750 萬，工期為105d，施工過程不會造成交通中斷，對環境影響較小。

5 優化設計

本文從費用、工期、社會影響、橋梁壽命、承載力變化等方面對A、B 方案進行了比較，結果見表2 所示。

表2 方案對比表

橋梁加固方案優化設計是量化進行的，采用綜合影響值表示目標值Z，通過對目標值Z進行線性函數的構造，得到計算公式。最終根據Z 的取值說明方案的優劣。通過計算可知Z(A)=592.5，Z(B)=230，Z 值越小，方案越優，所以B 方案要優于A 方案。

6 結語

本文通過對城市橋梁加固方案的分析得出以下結論：

6.1 城市橋梁的主要病害為裂縫和剝落，裂縫分為結構裂縫和非結構裂縫。剝落現象主要表現在混凝土的保護層。

6.2 通過工程實例對橋梁的病害和承載力進行了分析，并針對性地提出了A、B 兩種加固設計方案。通過影響因素的對比，進行量化分析，最終得到B 方案比A 方案更可取。