莲易高速石宋桥加固设计

辜勇军，贺朝美

(湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南 长沙 410007)

0 引言

随着我国经济的发展，交通荷载不断增大，对既有道路提级改造和对出现病害的既有桥梁的处理，设计人员面临的是既有桥梁利用方案问题——拆除重建还是加固利用，建设方面临的是如何利用，在结构上最安全，在经济上最合理。解决好我国既有桥梁利用问题，将为国家建设节省不少资金，为保护环境作出巨大贡献，同时也为桥梁加固科学提供研究和发展的基础。本文通过分析石宋桥病害产生的原因，提出不同的加固方案，并择优推荐应用。

1 项目概况

石宋桥是莲易高速(红旗南路)株洲市市区内的一座桥梁，中心桩号K1190+848，全长34.1 m，桥面宽40 m，上部结构为1－23 m 普通钢筋混凝土空心板，下部结构为U 形桥台，板式橡胶支座，全桥横断面共由23 片空心板组成。石宋路中心线与红旗南路的中心线的法线方向斜交角为23°。

本桥于1989年由湖南省某设计院设计，其设计荷载等级为汽车－超20，挂车－120。该桥建成通车后，由于该桥处于市区内，车流量大，超限超载车辆众多，结构本身多处已出现不同程度的病害情况。于2009年7月，株洲市建设局对其行车道、人行道及栏杆进行了改造。湖南省某检测单位于2010年7月对该桥进行了检测，该桥存在一定病害和缺陷，将其评定为三类桥梁。为了提高桥梁的承载力、满足交通运输的发展，石宋桥应进行加固设计。

为便于说明的论述:①定义莲花冲往易家湾方向为桥梁行进的正方向。②桥梁板体编号以路线前进方向的左边栏杆处的板块为1 号板，向右幅栏杆方向依次为2 号、3 号……23 号板，不分左、右幅。③莲花冲侧桥台为0#台，易家湾方向桥台为1#台。

桥梁立面图见图1。

图1 桥梁立面

2 桥梁检测结果

2.1 上部结构——空心板

1)1#板左侧铰缝处全部露筋、锈蚀;8#板距0#台1.5 m 处横向裂缝、渗浆;9#板距0#台0.5 m 处纵向裂缝、渗浆;10#板距支座2.3 m 处纵向裂缝、渗浆;11#、12#、13#板铰缝处砼脱落、露筋、生锈;15#板距1#台支座2 m 处有纵向裂缝、渗浆，长13 m;17#板距1#台支座4 m 处有纵向裂缝，长8.5 m;23#板翼缘露筋;全桥所有钢筋混凝土空心板均产生横向受力裂缝，最大裂缝宽度达到0.3 mm。

2)空心板混凝土外观质量较差，多数空心板混凝土变黑，碳化严重，除22#、23#板外，基本未发现混凝土剥落、露筋等病害。22#、23#板由于顶升施工时，对两梁体连接铰缝处混凝土造成了破损，导致该位置钢筋外漏严重，锈蚀严重。

3)多数空心板梁底板出现贯穿裂缝，伴有白色碳酸钙晶体析出。

4)6#与7#空心板间连接铰缝，17#与18#空心板间连接铰缝未封闭，11#与12#，12#与13#空心板间连接铰缝脱落，2#与3#板靠近0#台位置铰缝开裂渗浆。

随着社会的发展以及日益增加的交通量，原桥承载能力不能满足重车荷载长期通行，存在较大的安全隐患。

2.2 下部结构

下部结构结构良好，无不良现象。根据施工图地质勘察报告，本桥梁0#和1#桥台均采用扩大基础，其地基为中风化岩石，地基承载力容许值［fa］为800 kPa。

3 病害分析

3.1 病害分类

根据以上桥梁检测结果，石宋桥主要存在病害为:①空心板混凝土脱落、露筋，钢筋锈蚀，混凝土碳化;②空心板之间铰缝脱落;③空心板纵向裂缝和横向裂缝。

3.2 病害分析

1)空心板混凝土脱落、露筋，钢筋锈蚀，混凝土碳化成因主要为:桥梁施工质量较差和后期的养护不到位，导致混凝土脱落、露筋，经过长时间的日晒雨淋，导致钢筋锈蚀，混凝土碳化。

2)空心板之间铰缝脱落成因主要为:原设计铰缝较浅，板和板之间没有很好的铰合，再加上交通量的增大，超载超限车辆的增多，导致板和板之间本来铰合较弱的铰缝材料脱落。

3)空心板纵向裂缝成因主要为:原空心板底板偏薄，加上近年来车辆轴重的增大，导致空心板底板应力过大，而产生纵向裂缝。

4)空心板横向裂缝为影响本桥梁安全的主要病害，其主要成因为:相对于现在大量重车长期重压作用下，原桥的截面尺寸偏小，配筋率偏低，其截面不能满足现在荷载作用下空心板的持久状况正常使用极限状态，导致板底横向开裂及破损。

4 加固方案

根据以上病害分析，石宋桥必须进行加固处理，才能满足目前交通对桥梁的要求和现行设计规范要求。加固处理主要为两方面，一方面是对已出现的病害进行补救处理;另一方面是对不能满足现在交通的承重构件进行增强、局部更换或调整其内力等措施，使其满足现行设计规范。

4.1 混凝土缺陷处理

混凝土剥落、掉块、缺损、凹陷、铰缝脱落以及钢筋锈蚀等此类病害主要是施工不良和后期养护不到位引起，首先应将缺陷部位表层的松散混凝土全部凿除，露出新鲜混凝土，然后利用人工除锈的方法对缺陷部位的外露钢筋除锈，并将混凝土表面清理干净，最后利用环氧混凝土(或环氧砂浆)对缺陷部位进行修补。

4.2 混凝土裂缝处理

由于裂缝的产生、发展及长期存在，使得潮湿空气进入结构内部，从而引起结构内部钢筋的锈蚀，最终导致结构的承载能力降低，影响到结构的正常运营甚至安全运营，因此，对结构目前存在的裂缝进行相应的处理及控制非常必要。但鉴于裂缝宽度的不同对结构的影响也有所不同，此处共分两种情况对桥梁的裂缝进行灌浆(或封闭)处理，其灌浆材料采用环氧树脂，封闭材料采用环氧砂浆，具体处理方法如下所述:①鉴于当裂缝宽度＜0.15 mm 时，其对结构内部钢筋锈蚀的影响较小，故仅对此类裂缝进行表面封闭;②鉴于当裂缝宽度≥0.15 mm 时，其对结构内部钢筋锈蚀影响较大，故对此类裂缝应首先骑缝开设V 槽，然后将V 槽封闭并进行灌浆处理。

4.3 加固处理

根据现行的施工和设计规范，以及目前的施工工艺，主要的加固方法有:增大截面加固法(增大梁板截面和桥面补强法)、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法、体外预应力加固法和改变结构体系加固法。根据石宋桥为上跨石宋路的跨线桥，其不适应采用改变结构体系加固法;根据其原结构为23 块空心板组成的上部结构体系，其不适应采用体外预应力加固法;再根据其主要病害为空心板板底产生很多横向裂缝，其截面和配筋不满足持久状况正常使用极限状态，所以适应本桥梁加固的方法主要有增大截面加固法、粘贴钢板加固法和粘贴纤维复合材料法。

4.3.1 增大截面加固法

增大截面加固受弯构件，主要目的是想增加受拉钢筋数量及增大受拉合力点的力臂，受拉区增加的混凝土主要起保护钢筋并使新旧钢筋共同工作的作用。根据受力特点，增大截面加固受弯构件分两阶段受力:第一阶段是增大截面的混凝土凝固之前由构件自重及新增混凝土产生的截面弯矩对截面边缘旧混凝土及钢筋产生的应力。第二阶段是加固后构件新、旧混凝土形成整体共同承受的活载和后加恒载产生的截面弯矩对截面边缘新、旧混凝土及钢筋产生的应力。

由于石宋桥桥面近期刚做过桥面改造，因此不适用采用桥面增强法来增大其截面。本方案拟对空心板板底裂缝等一系列病害处理后，先凿除旧桥板底混凝土，深度不小于6 mm，露出新鲜混凝土骨料面，并用高压风机清理表面灰尘，清理铰缝松散混凝土，对板底锈蚀钢筋进行清锈处理;根据图纸锚筋位置钻锚筋孔，用高压风机进行清孔;然后用植筋胶在空心板腹板内纵向间隔20 cm 植入箍筋N1，在空心板底板中间每隔20 cm 开槽露出底板箍筋5 cm，然后与N3 号Z 型钢筋双面焊接，N1 与N3 钢筋双面焊接，然后穿入17 根Φ22 主筋并和箍筋绑扎;最后立模并浇筑15 cm 厚C40 自流密实混凝土。增大截面加固设计如图2所示。

4.3.2 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固法是采用环氧树脂或建筑结构胶将抗拉强度高的钢板粘贴在钢筋混凝土受弯构件表面，使之与结构物形成整体共同受力，从而取得抗弯、抗剪能力，改善原结构的钢筋混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，从而提高桥梁的承载能力和耐久性。

该方案拟对空心板板底裂缝等一系列病害处理后，对6 mm 厚的加固钢板进行切割、除锈、钻孔等加工，并运抵工地;对空心板板底表面进行整平，凿除表面凹凸不平整处及风化层，并用钢丝刷或压缩空气清除浮尘，然后用高强砂浆抹平;用丙酮擦一遍已加工好的钢板，除去油污和擦洗干净，最后在钢板表面涂一层改性环氧树脂薄浆，待干燥后在钢板上均匀地铺一层(1.5 ±1)cm 胶黏剂，随即将钢板贴到空心板下表面上，在钻孔处植入膨胀螺栓，旋紧螺丝进行加压，使多余的胶浆沿板边挤压出来，达到密贴的程度;清除钢板表面污染，用钢刷除去螺栓的锈斑，先涂一层环氧防锈底漆，然后再涂两层环氧防锈面漆在上面进行保护。

每块空心板纵向粘贴5 块22 000 mm×100 mm×6 mm 钢条，间隔为30 cm;横向粘贴21 块17 000 mm×100 mm×6 mm 钢条，间隔为100 cm。粘贴钢板加固设计如图3所示。

4.3.3 粘贴纤维复合材料加固法

粘贴纤维复合材料加固法是采用专门的树脂将纤维复合材料粘贴于混凝土结构表面，纤维复合材料和原结构形成新的受力整体，纤维复合材料与钢筋共同承受荷载，降低了钢筋应力，从而使结构达到加固和补强的效果。

该方案拟对空心板板底裂缝等一系列病害处理后，用修补材料将混凝土表面凹凸部位修复平整，如果有毛刺，应用砂纸打磨并待其干燥;用一次性软毛刷或特制滚筒将底胶均匀涂抹于混凝土表面，不得漏刷、流淌或有气泡，待底胶固化后检查涂胶面，如涂胶面上有毛刺，应用砂纸打磨平顺;在待加固的混凝土表面按照设计图纸放样，确定纤维复合材料各层的位置，在混凝土表面均匀涂刷胶黏剂，按照由上到下的顺序粘贴纤维复合材料，用滚筒将纤维复合材料从一端向另一端滚压，除去胶体与纤维复合材料之间的气泡，使胶体渗入纤维复合材料，浸润饱满，最后一层纤维复合材料施工结束后，在其表面均匀涂抹一层浸渍树脂(面层防护)，自然风干。粘贴纤维复合材料加固设计如图4所示。

图4 粘贴纤维复合材料加固设计图(单位:cm)

4.3.4 方案比选

1)计算。

a)单元离散。

利用桥梁博士3.2 版本软件将空心板离散为24 个单元，共计25 个节点，计算模型如图5所示。加固截面利用桥博软件附加截面功能模拟加固截面自重和受力的不同阶段，将其分为原空心板预制吊装就位并浇筑二期恒载、较长时间的运营阶段、原结构承受加固恒载的加固施工阶段和加固截面和原结构共同受力等四个阶段，截面如图6所示。

图5 计算模型

b)边界条件。

节点2 和24 分别为双向约束和单向约束铰支座，约束情况如图5所示。

c)荷载计算。

永久作用:结构重力(分阶段)、混凝土的收缩及徐变作用。

可变作用:汽车荷载(公路I 级)、温度作用;中板横向分布系数取0.179。

荷载组合:组合设计值Sud=1.2 ×永久作用+1.4 ×汽车荷载+0.8 ×1.4 温度作用，结构重要性系数取1.1。

d)计算结果。

采用桥梁博士计算软件，计算得出中板在公路－Ⅰ级荷载作用下，跨中承载能力极限状态效应组合值和承载能力极限状态截面强度设计值以及构件在消除自重影响的长期挠度最大值如表1所示。

2)结果比较。

由表1可以看出，对于石宋桥的病害处理及加固，以上3 种方案均能达到使其满足现行交通要求和现行设计规范的要求。通过对中板跨中截面在公路－Ⅰ级荷载作用下的弯矩效应组合值和抗弯强度设计值的变化，并根据设计的方案对工程造价进行估算，3 种方案横向比较有其优缺点，具体如下:

对于加大截面加固法而言，由于通过加厚空心板底板的厚度，从而提高了其强度设计值，但其自身重量也增加了，导致其效应组合值也增大，加固后跨中抗弯强度富余值较原空心板虽有所增加;但其挠度增加也较大;虽其工程造价最低，但该方法需要在原空心板腹板内植入很多钢筋，不仅施工工期长，影响桥上桥下交通，在仅10 cm 厚腹板上植入很多钢筋，其对原来钢筋的定位工作很繁重，甚至容易破坏原结构。

对采用粘贴纤维复合材料加固法而言，由于通过粘贴轻质的较强抗拉材料，从而改善了板底原钢筋的受力，其强度提高较明显，但其效应组合值基本不变，加固后跨中抗弯强度富余值较原空心板有所上升;其挠度基本不变;其工程造价其次，该方法不仅对原结构恒载加重少，基本不影响桥上交通，施工工期也最短，而且通过粘贴色彩较艳丽的纤维复合材料，有利于改善桥下环境。

对于粘贴钢板加固法而言，其工程造价在三者中为最高，施工工期较长，但可以将横向钢板跨越桥梁铰缝，有助于加强桥梁的横向整体性能，尤其是对早期铰缝较浅的空心板桥梁尤为显得必要。最重要的是通过粘贴高强抗拉材料，从而改善了板底原钢筋的受力，其强度提高明显，虽其效应组合值因所贴钢板增加了空心板自重而增加，加固后跨中抗弯强度富余值较原空心板有明显上升，其挠度仅略有增大。

为确保工程质量，避免二次加固浪费，本桥梁最后按粘贴钢板加固法实施。石宋桥于2013年6月施工完毕，加固后进行了静载实验，从试验结果和目前的运营情况来看，其加固效果良好。

3 种加固方案其经济、技术比较见表1。

表1 各方案经济技术比较表

5 结语

各种桥梁加固方法有其适应范围和优缺点，而实际工程应用中，有时可以采用不同的加固方法。此时，设计人员不仅要分析各种加固方法其本身的适用范围和优缺点，还要对其工程本身的结构特点、工作环境、原来的施工条件和结构目前的病害及病害产生的原因深入细致的分析，优选一种适用自己研究的工程的加固方法。

桥梁加固是在不断总结经验和技术进步的基础上形成的新型学科，要重视对加固后的桥梁进行检测和观察，以确定加固的效果，以成功的加固案例来指导其他桥梁的加固，确保危旧桥的改造工作科学合理、经济安全。

［1］JTG/T J22 －2008，公路桥梁加固设计规范［S］.

［2］JTG/T J23 －2008，公路桥梁加固施工技术规范［S］.

［3］JTG D62 －2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［4］路 飞，彭 程.常见桥梁加固方式的分析比较与应用研究［J］.公路，2013(10):121 －123.