小箱梁抗剪及抗彎加固措施及效果分析

陳敏

摘??要：改擴建工程往往面臨著既有橋梁的加固，以浙江某高速改擴建項目為案例，首先分析了抗彎承載能力、抗剪承載能力、局部承壓承載能力不足的原因，然后結合各自承載能力基本原理，并結合規范要求，分析了加固常用方法，并對每種加固方法的原理進行了介紹，最后結合項目實際特點，介紹了所采用的方法以及加固的效果。結果表明，采用合適的加固方法可以有效解決城市高速公路橋梁的結構問題，確保了其長期安全運營。這一研究為城市基礎設施的可持續發展提供了有力支持。

關鍵詞：小箱梁??抗彎承載能力??抗剪承載能力??橋梁工程???加固原理

中圖分類號：X913.4;U448.23

Analysis?of?Shear?and?Flexural?Strengthening?Measures?and?Their?Effects?for?Small?Box?Girders

CHEN?Min

（Wuhan?Optics?Valley?Construction?Investment?Co.，?Ltd.，?Wuhan，?Hubei?Province，?430070?China）

Abstract：?Renovation?and?expansion?projects?often?face?the?reinforcement?of?existing?bridges.?Taking?a?high-speed?renovation?and?expansion?project?in?Zhejiang?as?a?case，?this?paper?first?analyzes?the?reasons?for?the?insufficient?bending?bearing?capacity，?shear?bearing?capacity?and?local?loading?and?bearing?capacity.?Then，?based?on?the?basic?principles?of?their?respective?bearing?capacity?and?the?requirements?of?specifications，?it?analyzes?common?reinforcement?methods?and?introduces?the?principles?of?each?reinforcement?method.?Finally，?combined?with?the?actual?characteristics?of?the?project，?it?introduces?the?used?methods?and?reinforcement?effects.?The?results?indicate?that?adopting?appropriate?reinforcement?methods?can?effectively?solve?the?structural?problems?of?urban?highway?bridges?and?ensure?their?long-term?safe?operation.?This?study?provides?strong?support?for?the?sustainable?development?of?urban?infrastructure.

Key?Words：?Small?box?girder;?Flexural?bearing?capacity;?Shear?bearing?capacity;?Bridge?engineering;?Reinforcement?principle

近年來城市汽車保有量逐步提升，且隨著電動化的發展，未來一段時間內城市汽車數量將會迎來快速發展期。同時初期建造的道路一般車道數較少，難以匹配高速增長的交通量，部分城市擁堵現象日益惡化。因此需要對現有道路進行改擴建，拓展車道，緩解擁堵，提高道路服務水平。

我國改革開放初期大量建造的市政橋梁隨著服役時間的增加，逐漸出現病害，如混凝土碳化、裂縫、鋼筋銹蝕等[1]。在改擴建時需要對承載能力不足的橋梁進行加固，以保證其能正常服役[2]。同時對于部分狀態較好的橋梁，因為其設計雖是依據當時規范設計，但改擴建細則提出——對于擴建橋梁，其承載能力極限狀態應滿足新規范要求，故仍需要對其進行加固。

1??工程概況

某城市二環線全線34.5?km，整體采用高架橋方案，于2002年建成通車，運行20年后逐漸出現擁堵情況，對于部分上下高架路段擁堵現象更加明顯，因此經過評議后，對部分路段進行擴建，整體擴建方案為單側拼寬2個車道。

拼寬路段某樁號范圍內橋梁上構為小箱梁，跨徑為30?m，橋墩采用雙柱墩，依據《城市橋梁設計規范》（CJJ?11-1993）進行設計。運營多年后小箱梁的病害逐漸增多，對其進行承載能力驗算結果表明，其抗彎承載能力安全系數為0.85，抗剪承載能力安全系數為0.79，不滿足規范要求。本次擴建需要對小箱梁邊梁及中梁進行抗彎和抗剪加固。

2??箱梁抗彎加固

2.1??抗彎承載能力不足的主要原因

2.1.1?老化和環境影響

隨著時間的推移，混凝土結構可能會受到老化的影響，混凝土的強度可能會降低。此外，環境因素如潮濕、腐蝕、鹽析等也可能影響混凝土的性能，從而降低結構的抗彎能力[3]。

2.1.2?荷載超載

如果混凝土結構承受了超過其設計荷載能力的荷載，例如頻繁的重型車輛通行或臨時施工荷載，這就可能導致結構的抗彎能力不足。

2.1.3?施工質量問題

不合格的施工工藝和技術，如混凝土澆筑不均勻、不充分振搗、混凝土質量控制不當等，也可能降低混凝土結構的抗彎性能。

2.2??抗彎承載能力加固原理

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG?3362-2018?），抗彎承載能力的計算公式如式（1）所示：

由式（1）可知，可以從以下幾個方面提高公式右側數值，也即是提高結構承載能力。一方面，可以增加h0或x，在主筋重心位置不變的情況下，一般采用方法是增加梁的高度，即增加截面法。增加截面高度后承載能力提升較為明顯，但由于施工難度大、施工后外形不美觀而較少采用。另一方面，也可以增加As，提高鋼筋面積，常采用的方法是外包鋼板法。對于預應力結構需要注意的問題與外包鋼板法一致，需要防止超筋現象的出現[4]。

2.3??抗彎加固方案及效果

對于本項目，橋梁主梁為小箱梁，梁高1.6?m，由于梁高較高，且梁底裂縫分布，綜合美觀等因素，采用在梁底張貼鋼板的方法進行抗彎加固，一方面提高承載能力，另一方面，張貼鋼板時，梁底涂抹結構膠，對裂縫具有密封作用，防止內部鋼筋進一步銹蝕，提高結構的耐久性。

張貼鋼板尺寸為寬10?cm，厚0.8?cm，每個小箱梁張貼3條鋼板，張貼范圍為整個跨徑內梁底全長。經過計算，張貼鋼板后結構抗彎承載能力提高至1.2，滿足現有規范要求。

3??箱梁抗剪加固

3.1??抗剪承載能力不足的主要原因

3.1.1?不足的橫向鋼筋

混凝土結構中的橫向鋼筋（也稱為箍筋或橫向裂縫鋼筋）對于抵抗剪切力至關重要。如果橫向鋼筋數量不足或者橫向鋼筋的直徑太小，那么在受到剪切荷載時，混凝土可能會發生剪切破壞，抗剪承載能力不足[5]。

3.1.2?橫向鋼筋的不正確布置

除了數量和直徑外，橫向鋼筋的布置也非常重要。如果橫向鋼筋的間距過大或者不均勻，或者不按照設計規范正確布置，都可能導致抗剪能力不足。

3.1.3?斜裂縫的存在

混凝土結構中的斜裂縫可能會降低抗剪能力。這些裂縫通常是由于混凝土齡期伸縮、荷載循環或溫度變化等因素引起的。斜裂縫可能會導致混凝土失去縱向和橫向的一致性，從而降低了抗剪承載能力。

3.2??抗剪承載能力加固原理

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG?3362-2018?），抗剪承載能力的計算公式如下式：

式（2）邊為荷載產生的剪力設計值，公式右邊為抗剪承載能力，主要包括混凝土和箍筋提供的承載力，彎起鋼筋提供的承載力，以及預應力筋提供的承載力。從式中可以看出，抗剪加固可以從以下幾個方面進行。（1）增加h0或b值，即增加截面高度或寬度，由于抗剪設計值一般位于支座處，該處增加截面高度較為困難，一般采用增加寬度的方法進行加固，如將支座附近的小箱梁空腔澆筑成實體。（2）增加ASb，即增加彎起鋼筋面積，與抗彎加固不同，抗剪加固不存在超筋概念，因此可以較為大面積地增加彎起鋼筋，通常采用的方法是在支座附近張貼斜向鋼板。（3）增加fsd，即增加體外預應力，該種方法主要運用于抗彎加固，對于抗剪加固，由于較難配置短束，因此適用性較差[6]。

3.3??抗剪加固方案及效果

對于本項目，由于增加預應力和截面尺寸困難，因此采用張貼鋼板的方法增加彎起鋼筋面積，提高承載能力。最終采用在小箱梁腹板兩側斜向45゜各張貼4塊長120?cm、寬10?cm、厚0.8?cm的鋼板進行加固。經過計算，加固后小箱梁抗剪承載能力安全系數提高至1.45，滿足現有規范要求。

4??部承壓加固

4.1??局部承壓承載能力不足的主要原因

橋梁混凝土結構在其壽命周期內可能會面臨局部承載能力不足的問題，這種問題可能由以下一些因素引起[5]。

4.1.1?磨損和腐蝕

橋梁混凝土結構常常受到交通、氣候和環境的影響，這可能導致表面的磨損和腐蝕。這些因素可以減弱混凝土的強度，尤其是在橋梁的關鍵部位，如橋墩、橋臺和橋梁底部。

4.1.2?裂縫影響

混凝土結構中的裂縫可能會形成或擴展，這些裂縫可以降低結構的承載能力。裂縫可能是由于混凝土的齡期伸縮、荷載循環、溫度變化或地震等因素引起的。

4.1.3?腐蝕鋼筋

混凝土結構中的鋼筋如果暴露在潮濕或腐蝕性環境中，可能會生銹，導致鋼筋的膨脹和混凝土的破壞。這會削弱結構的抗拉強度。

針對上述問題，進行針對性的加固以提高局部承載能力，確保結構長期服役安全。常用服役期間混凝土結構承載能力加固方法包括鋼板包裹、碳纖維增強以及添加混凝土枕木的方法。

4.2??常用局部承壓承載能力加固方法

4.2.1?鋼板包裹

鋼板包裹是一種常見的混凝土加固方法，適用于混凝土受壓區域的增強。這個方法包括將鋼板附著在受壓混凝土表面，以增加結構的抗壓能力。這些鋼板可以是平板或角鋼，通常通過焊接或螺栓固定在混凝土上。這種加固方法的優點具體敘述如下。

（1）快速施工：相對于其他方法，鋼板包裹的施工速度較快，可以迅速修復受壓混凝土結構。

（2）提高抗壓強度：鋼板的強度很高，可以顯著提高受壓混凝土的承載能力。

（3）適用性廣泛：適用于各種混凝土結構，包括梁、柱和墻。

然而，需要注意的是，鋼板包裹可能會引入額外的重量和可能的腐蝕問題，因此在設計和施工過程中需要謹慎考慮。

4.2.2?碳纖維增強

碳纖維增強是一種高性能的加固方法，通常使用碳纖維布或碳纖維條來包裹或粘貼在受壓混凝土表面，以提高其抗壓強度。碳纖維具有輕量、高強度和耐腐蝕等特點，使其成為一種受歡迎的加固材料。碳纖維增強的優點具體敘述如下。

（1）高強度：碳纖維具有出色的拉伸強度，可以顯著增加混凝土的抗壓能力。

（2）輕質：與傳統的鋼材相比，碳纖維更輕，不會增加結構的自重。

（3）耐腐蝕：碳纖維不會腐蝕，這意味著它可以用于有腐蝕問題的環境中。

碳纖維增強通常需要專業技術和施工技能，因此需要由經驗豐富的專業人員進行施工和設計。

4.3.3混凝土枕木

混凝土枕木是一種將額外的混凝土結構放置在受壓混凝土下方的加固方法。這些混凝土枕木或梁的目的是分散受壓區域的荷載，減輕原始混凝土的負荷。混凝土枕木的特點具體敘述如下。

（1）分散荷載：通過提供額外的支持和分散荷載，混凝土枕木可以減輕受壓混凝土的壓力。

（2）增加承載能力：混凝土枕木增加了整體結構的承載能力，可以用于加固受壓梁、板或柱。

混凝土枕木的設計和施工需要考慮結構的荷載分布和枕木的尺寸，以確保有效地減輕受壓混凝土的負荷。這種方法通常適用于需要在短時間內快速加固的情況。

5??結語

以浙江某高速公路改擴建為案例，結合規范相關規定，介紹了抗彎及抗剪加固的方法及其加固原理，并根據該項目現場實際情況，介紹了其所采用的加固方法及采用該方法的原因，通過本項目的實例，可以看出針對現場實際邊界條件，采用合適的加固方法可以得到良好的加固效果。

參考文獻

[1]季長征，孫建東，李海文，等.體外預應力加固鋼筋混凝土薄腹梁的工程應用[J].工程建設，2023，55（2）：61-65.

[2]黃珍玉.鋼筋混凝土結構加固方法分析[J].工程建設，2023，55（1）：43-47.

[3]鄧朗妮，楊洲，鐘錳軍，等.FRP網格-工程用水泥基復合材料加固鋼筋混凝土梁撓度[J].復合材料學報，2023，40（9）：5212-5224

[4]劉相.CFRP加固鋼筋砼梁正截面粘貼面積2種計算方法比較[J].遼東學院學報（自然科學版），2022，29（4）：286-292.

[5]李碩，趙作周.震損加固后RC柱抗震性能影響因素分析[J].地震工程與工程振動，2022，42（1）：188-199.

[6]陳孟林.橋梁結構加固設計原則及方法分析