喇嘛灣黃河大橋加固技術分析

王善巍，武 倩，涂裕民，潘永杰

（1.內蒙古自治區交通運輸事業發展中心，內蒙古 呼和浩特 010010；2.貴州中路鑫建設工程有限公司，貴州 安順 560800）

1 引言

橋梁運營過程中，由于結構的老化、車輛荷載的增加等因素，越來越多橋梁出現結構性病害影響行車安全，急需進行處置[1-5]。喇嘛灣黃河大橋運營36年來，內蒙古自治區各級公路養護管理機構投入了大量人力、物力、財力，定期巡查、檢查、養護，2005 年進行了橋梁鋪裝和橋梁裂縫處置。在2020 年加固改造工程中，一改往日“加法”策略，大膽實施“減法”，減少橋梁恒載。通過加固全過程及運營健康監測，橋梁抵抗較大荷載風險能力得到提升，橋梁整體剛度得到提升，使大橋處于健康安全的運行狀態，為行業同類橋梁加固提供了新的處置思路與工程實踐經驗。

2 橋梁概況

喇嘛灣黃河大橋位于S103 線K90+591 處，建成于1985年，全長389m，上部結構為6孔一聯（64.5+4×65+64.5）m預應力混凝土箱型連續梁，上部自重（包括橋面系）為21.23t/m，下部為重力式混凝土橋墩、“U”型漿砌片石橋臺。橋面鋪裝為9cm厚瀝青混凝土+9cm厚水泥混凝土。2007 年，橋梁箱室頂板底面掛預應力鋼筋并錨噴4cm厚高強抗拉復合砂漿，箱梁底板底面粘貼橫向碳纖維，橋面鋪裝改造為8cm厚聚丙烯晴纖維防水鋼筋混凝土+4cm厚瀝青混凝土，欄桿扶手更換為防撞墻。

3 橋梁病害檢查情況

3.1 上部結構

主梁腹板在支點附近存在多條斜向裂縫，與底板夾角約呈45°，長度多為2m～3m，部分裂縫延伸至翼緣板根部，裂縫寬度多為0.05mm～0.2mm，最寬達到0.45mm。主梁底板有縱向裂縫，部分裂縫斷續通長，裂縫寬度多為0.1mm～0.15mm；底板粘貼碳纖維布區域存在滲水現象；翼緣板、腹板普遍滲水。箱梁外側腹板斜向裂縫分布情況如圖1所示。

圖1 箱梁外側腹板斜向裂縫分布圖

3.2 下部結構

橋跨的下部結構主要病害為0#橋臺背墻在梁端對應位置存在通長水平裂縫，病害情況如圖2所示。

圖2 0號橋臺背墻開裂

3.3 橋面系

橋面鋪裝車轍、擁包現象較為普遍；2#伸縮縫鋼板條局部脫落，錨固區混凝土開裂；全橋下游側泄水孔堵塞。橋面鋪裝層經過歷次加固和維修改造，鋪裝層厚度與原設計差異較大。經現場鉆芯取樣測量，橋面鋪裝層由9cm厚的聚丙烯晴纖維混凝土+6cm～9cm厚的瀝青混凝土構成，橋面鋪裝鉆芯取樣情況如圖3所示。

圖3 橋面鋪裝鉆芯取樣

4 病害原因分析

針對橋梁當前存在的腹板斜向開裂、荷載試驗結論中抗剪承載能力不足的問題，采用《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）[6]進行驗算。本次計算采用有限元專用軟件Midas Civil 建立全橋整體結構有限元模型，橋梁結構離散圖如圖4所示。

圖4 橋梁整體結構離散圖

箱梁懸臂板計算可取垂直板跨方向帶型荷載1 m長的一段。本次計算采用有限元專用軟件Midas Civil建立結構橫向框架有限元模型，結構離散圖如圖5 所示。

圖5 橫向框架結構離散圖

4.1 承載能力極限狀態驗算

橋梁構件的承載能力極限狀態驗算應滿足γoS≤R，S為作用效應的組合設計值，R 為構件承載力設計值，γo為橋梁結構的重要性系數，本橋取γO=1.1[1]。

4.1.1 抗彎承載能力驗算

表1 為主要控制截面抗彎承載能力及最大彎矩驗算結果。

表1 橋梁現狀抗彎承載能力驗算結果表

驗算結果表明，橋梁現狀下主梁主要控制截面處抗彎承載能力均滿足規范要求，最小安全系數為1.04，出現在邊跨最大正彎矩截面處。

4.1.2 抗剪承載能力驗算

表2 為主要控制截面抗剪承載能力及最大剪力驗算結果。

表2 橋梁現狀抗剪承載能力驗算結果表

驗算結果表明，橋梁現狀下主梁各墩臺根部截面抗剪承載力均不滿足規范要求，安全系數在0.91～0.99之間。

4.2 使用階段構件法向應力驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）規定，在荷載組合Ⅰ、荷載組合Ⅱ作用下，法向壓應力分別不應超過17.5MPa、21.0MPa；法向拉應力分別不應超過2.4MPa、2.7MPa。經驗算，在荷載作用下，主梁上、下緣法向壓應力及拉應力均滿足規范要求。

4.3 使用階段構件主應力驗算

4.3.1 使用階段構件主拉應力驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）規定，在荷載組合Ⅰ、荷載組合Ⅱ作用下，主拉應力分別不應超過2.4MPa、2.7MPa。經驗算，荷載組合Ⅰ下斜截面主拉應力均能滿足規范要求，最大主拉應力為2.2MPa，最大值出現在1#、5#墩附近位置；荷載組合Ⅱ下最大主拉應力為2.7MPa，達到規范限值，最大值出現在梁端附近位置。

4.3.2 使用階段構件主壓應力驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）規定，在荷載組合Ⅰ、荷載組合Ⅱ作用下，主壓應力分別不應超過21.0MPa、22.75MPa。經驗算，使用階段斜截面主壓應力均能滿足規范要求，荷載組合Ⅰ下最大主壓應力為-9.9MPa，荷載組合Ⅱ下最大主壓應力為-12.6MPa。

4.4 橋面板驗算

對橋面板橫橋向跨中截面進行抗彎承載能力和裂縫寬度驗算。對橋面板橫橋向跨中抗彎承載能力及裂縫寬度（Ⅰ類環境）進行驗算。表3 為行車道板抗彎承載力及裂縫寬度驗算結果。

表3 行車道板抗彎承載力及裂縫寬度驗算結果

由表3可知，橋梁原設計狀態下，在荷載組合II，按《公路橋涵設計通用規范》（JTJ 021—89）和《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[7]規范兩種要求計入溫度力，橋面板抗彎承載能力及驗算裂縫寬度均滿足要求。

橋梁目前狀況計算時，將維修加固時更換的9cm水泥混凝土層全部計入橋面板結構層中，鑒于頂板下緣錨噴的4cm厚砂漿層開裂較為嚴重，且無豎向種植鋼筋與橋面板有效連接，將其計入恒載。在現狀下，荷載組合II，按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）要求計入溫度力，橋面板跨中抗彎承載能力略有不足。

5 橋梁加固設計

根據計算，在現狀情況下，結構因恒載增加較多，抗剪承載能力不足或安全儲備偏低、橋面板承載能力不足，故需對橋梁腹板及橋面板進行處置。

5.1 腹板局部混凝土加厚

全橋箱梁腹板內側支點附近9m 范圍內加厚20cm混凝土（圖6、圖7），改善主橋主拉應力，提高主梁剛度。通過在新老混凝土結合面鑿毛、種植鋼筋與原腹板緊密連接，并采用C50自流平混凝土澆筑。

圖6 梁腹板加厚示意圖（cm）

圖7 箱梁腹板加厚斷面示意圖（cm）

5.2 橋面鋪裝處理

鑿除原橋的橋面瀝青鋪裝，腹板加厚后，重新做橋面防水層、鋪筑5cm瀝青混凝土鋪裝層。

5.3 加固后計算

5.3.1 結構抗彎承載能力計算

表4為加固前后抗彎承載能力計算結果對比情況。

表4 加固前后結構抗彎承載能力計算結果對比

由表4可知，加固前后橋梁抗彎承載能力均滿足規范要求。加固后，邊跨最大正彎矩截面抗彎承載能力安全系數由1.04提高至1.13，截面抗彎安全儲備有所增加。

5.3.2 抗剪承載能力計算

表5為加固前后抗剪承載能力計算結果對比情況。

表5 加固前后結構抗剪承載能力計算結果對比

由表5可知，加固后橋梁各關鍵截面抗剪工作性能均得到較明顯的改善，抗剪承載力安全系數由現狀下的0.91～0.96提高至1.14～1.38。

5.3.3 主拉應力計算

表6為加固前后主拉應力計算結果對比情況。

表6 加固前后主拉應力計算結果對比

由表6可知，加固后橋梁各關鍵截面主拉應力均得到改善，在荷載組合Ⅰ、荷載組合Ⅱ下，梁端附近主拉應力由橋梁現狀下的2.2MPa、2.7MPa（規范限值分別為2.4MPa、2.7MPa）降低至1.1MPa、2.4MPa。

5.3.4 基底承載力計算

根據前述計算可知，加固前后，橋梁橋墩擴大基礎的最小安全系數均為1.47，滿足規范要求；橋梁橋臺擴大基礎的最小安全系數均為1.29，滿足規范要求。

6 加固效果

6.1 剛度

通過健康監測系統測定，喇嘛灣黃河大橋加固前剛度為5.802×108 kN/m2，加固后橋梁剛度為8.016×108 kN/m2，加固后喇嘛灣黃河大橋剛度增大了38.2%，表明橋梁承載力得到提高，橋梁壽命得到保障。剛度變化趨勢如圖8所示。

圖8 剛度變化趨勢圖

6.2 殘余變形

通過對喇嘛灣黃河大橋加固前后共計12萬組荷載瞬時殘余變形數據分析，瞬時殘余變形關系圖如圖9所示，橋梁加固后較加固前，對于抵抗較大的荷載有了明顯的提升，表明橋梁增強了安全儲備，提升了抗風險能力。

圖9 瞬時殘余變形關系圖

7 結語

通過喇嘛灣黃河大橋橋梁加固實例，在總結分析橋梁病害的基礎上，針對性提出采用腹板局部混凝土加厚、橋面鋪裝等加固措施，應用效果表明，所采取的加固措施不僅能提高橋梁整體承載力和安全系數，還可以控制增加橋梁恒載，從根本上提高橋梁運行安全。根據工程實踐，建議在大橋加固施工前后進行靜載試驗，以評價橋梁的加固效果，并為橋梁日后的養護工作提供依據。橋梁運營后，應加強橋梁的檢查工作，適當加大檢查頻率，建議連續3年對橋梁進行跟蹤觀測（包括結構性病害發展、主梁撓度變化、橋面板梯度溫度測試及箱梁內外溫度變化等情況）。