喇嘛湾黄河大桥加固技术分析

王善巍，武 倩，涂裕民，潘永杰

（1.内蒙古自治区交通运输事业发展中心，内蒙古 呼和浩特 010010；2.贵州中路鑫建设工程有限公司，贵州 安顺 560800）

1 引言

桥梁运营过程中，由于结构的老化、车辆荷载的增加等因素，越来越多桥梁出现结构性病害影响行车安全，急需进行处置[1-5]。喇嘛湾黄河大桥运营36年来，内蒙古自治区各级公路养护管理机构投入了大量人力、物力、财力，定期巡查、检查、养护，2005 年进行了桥梁铺装和桥梁裂缝处置。在2020 年加固改造工程中，一改往日“加法”策略，大胆实施“减法”，减少桥梁恒载。通过加固全过程及运营健康监测，桥梁抵抗较大荷载风险能力得到提升，桥梁整体刚度得到提升，使大桥处于健康安全的运行状态，为行业同类桥梁加固提供了新的处置思路与工程实践经验。

2 桥梁概况

喇嘛湾黄河大桥位于S103 线K90+591 处，建成于1985年，全长389m，上部结构为6孔一联（64.5+4×65+64.5）m预应力混凝土箱型连续梁，上部自重（包括桥面系）为21.23t/m，下部为重力式混凝土桥墩、“U”型浆砌片石桥台。桥面铺装为9cm厚沥青混凝土+9cm厚水泥混凝土。2007 年，桥梁箱室顶板底面挂预应力钢筋并锚喷4cm厚高强抗拉复合砂浆，箱梁底板底面粘贴横向碳纤维，桥面铺装改造为8cm厚聚丙烯晴纤维防水钢筋混凝土+4cm厚沥青混凝土，栏杆扶手更换为防撞墙。

3 桥梁病害检查情况

3.1 上部结构

主梁腹板在支点附近存在多条斜向裂缝，与底板夹角约呈45°，长度多为2m～3m，部分裂缝延伸至翼缘板根部，裂缝宽度多为0.05mm～0.2mm，最宽达到0.45mm。主梁底板有纵向裂缝，部分裂缝断续通长，裂缝宽度多为0.1mm～0.15mm；底板粘贴碳纤维布区域存在渗水现象；翼缘板、腹板普遍渗水。箱梁外侧腹板斜向裂缝分布情况如图1所示。

图1 箱梁外侧腹板斜向裂缝分布图

3.2 下部结构

桥跨的下部结构主要病害为0#桥台背墙在梁端对应位置存在通长水平裂缝，病害情况如图2所示。

图2 0号桥台背墙开裂

3.3 桥面系

桥面铺装车辙、拥包现象较为普遍；2#伸缩缝钢板条局部脱落，锚固区混凝土开裂；全桥下游侧泄水孔堵塞。桥面铺装层经过历次加固和维修改造，铺装层厚度与原设计差异较大。经现场钻芯取样测量，桥面铺装层由9cm厚的聚丙烯晴纤维混凝土+6cm～9cm厚的沥青混凝土构成，桥面铺装钻芯取样情况如图3所示。

图3 桥面铺装钻芯取样

4 病害原因分析

针对桥梁当前存在的腹板斜向开裂、荷载试验结论中抗剪承载能力不足的问题，采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）[6]进行验算。本次计算采用有限元专用软件Midas Civil 建立全桥整体结构有限元模型，桥梁结构离散图如图4所示。

图4 桥梁整体结构离散图

箱梁悬臂板计算可取垂直板跨方向带型荷载1 m长的一段。本次计算采用有限元专用软件Midas Civil建立结构横向框架有限元模型，结构离散图如图5 所示。

图5 横向框架结构离散图

4.1 承载能力极限状态验算

桥梁构件的承载能力极限状态验算应满足γoS≤R，S为作用效应的组合设计值，R 为构件承载力设计值，γo为桥梁结构的重要性系数，本桥取γO=1.1[1]。

4.1.1 抗弯承载能力验算

表1 为主要控制截面抗弯承载能力及最大弯矩验算结果。

表1 桥梁现状抗弯承载能力验算结果表

验算结果表明，桥梁现状下主梁主要控制截面处抗弯承载能力均满足规范要求，最小安全系数为1.04，出现在边跨最大正弯矩截面处。

4.1.2 抗剪承载能力验算

表2 为主要控制截面抗剪承载能力及最大剪力验算结果。

表2 桥梁现状抗剪承载能力验算结果表

验算结果表明，桥梁现状下主梁各墩台根部截面抗剪承载力均不满足规范要求，安全系数在0.91～0.99之间。

4.2 使用阶段构件法向应力验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）规定，在荷载组合Ⅰ、荷载组合Ⅱ作用下，法向压应力分别不应超过17.5MPa、21.0MPa；法向拉应力分别不应超过2.4MPa、2.7MPa。经验算，在荷载作用下，主梁上、下缘法向压应力及拉应力均满足规范要求。

4.3 使用阶段构件主应力验算

4.3.1 使用阶段构件主拉应力验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）规定，在荷载组合Ⅰ、荷载组合Ⅱ作用下，主拉应力分别不应超过2.4MPa、2.7MPa。经验算，荷载组合Ⅰ下斜截面主拉应力均能满足规范要求，最大主拉应力为2.2MPa，最大值出现在1#、5#墩附近位置；荷载组合Ⅱ下最大主拉应力为2.7MPa，达到规范限值，最大值出现在梁端附近位置。

4.3.2 使用阶段构件主压应力验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）规定，在荷载组合Ⅰ、荷载组合Ⅱ作用下，主压应力分别不应超过21.0MPa、22.75MPa。经验算，使用阶段斜截面主压应力均能满足规范要求，荷载组合Ⅰ下最大主压应力为-9.9MPa，荷载组合Ⅱ下最大主压应力为-12.6MPa。

4.4 桥面板验算

对桥面板横桥向跨中截面进行抗弯承载能力和裂缝宽度验算。对桥面板横桥向跨中抗弯承载能力及裂缝宽度（Ⅰ类环境）进行验算。表3 为行车道板抗弯承载力及裂缝宽度验算结果。

表3 行车道板抗弯承载力及裂缝宽度验算结果

由表3可知，桥梁原设计状态下，在荷载组合II，按《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—89）和《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[7]规范两种要求计入温度力，桥面板抗弯承载能力及验算裂缝宽度均满足要求。

桥梁目前状况计算时，将维修加固时更换的9cm水泥混凝土层全部计入桥面板结构层中，鉴于顶板下缘锚喷的4cm厚砂浆层开裂较为严重，且无竖向种植钢筋与桥面板有效连接，将其计入恒载。在现状下，荷载组合II，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）要求计入温度力，桥面板跨中抗弯承载能力略有不足。

5 桥梁加固设计

根据计算，在现状情况下，结构因恒载增加较多，抗剪承载能力不足或安全储备偏低、桥面板承载能力不足，故需对桥梁腹板及桥面板进行处置。

5.1 腹板局部混凝土加厚

全桥箱梁腹板内侧支点附近9m 范围内加厚20cm混凝土（图6、图7），改善主桥主拉应力，提高主梁刚度。通过在新老混凝土结合面凿毛、种植钢筋与原腹板紧密连接，并采用C50自流平混凝土浇筑。

图6 梁腹板加厚示意图（cm）

图7 箱梁腹板加厚断面示意图（cm）

5.2 桥面铺装处理

凿除原桥的桥面沥青铺装，腹板加厚后，重新做桥面防水层、铺筑5cm沥青混凝土铺装层。

5.3 加固后计算

5.3.1 结构抗弯承载能力计算

表4为加固前后抗弯承载能力计算结果对比情况。

表4 加固前后结构抗弯承载能力计算结果对比

由表4可知，加固前后桥梁抗弯承载能力均满足规范要求。加固后，边跨最大正弯矩截面抗弯承载能力安全系数由1.04提高至1.13，截面抗弯安全储备有所增加。

5.3.2 抗剪承载能力计算

表5为加固前后抗剪承载能力计算结果对比情况。

表5 加固前后结构抗剪承载能力计算结果对比

由表5可知，加固后桥梁各关键截面抗剪工作性能均得到较明显的改善，抗剪承载力安全系数由现状下的0.91～0.96提高至1.14～1.38。

5.3.3 主拉应力计算

表6为加固前后主拉应力计算结果对比情况。

表6 加固前后主拉应力计算结果对比

由表6可知，加固后桥梁各关键截面主拉应力均得到改善，在荷载组合Ⅰ、荷载组合Ⅱ下，梁端附近主拉应力由桥梁现状下的2.2MPa、2.7MPa（规范限值分别为2.4MPa、2.7MPa）降低至1.1MPa、2.4MPa。

5.3.4 基底承载力计算

根据前述计算可知，加固前后，桥梁桥墩扩大基础的最小安全系数均为1.47，满足规范要求；桥梁桥台扩大基础的最小安全系数均为1.29，满足规范要求。

6 加固效果

6.1 刚度

通过健康监测系统测定，喇嘛湾黄河大桥加固前刚度为5.802×108 kN/m2，加固后桥梁刚度为8.016×108 kN/m2，加固后喇嘛湾黄河大桥刚度增大了38.2%，表明桥梁承载力得到提高，桥梁寿命得到保障。刚度变化趋势如图8所示。

图8 刚度变化趋势图

6.2 残余变形

通过对喇嘛湾黄河大桥加固前后共计12万组荷载瞬时残余变形数据分析，瞬时残余变形关系图如图9所示，桥梁加固后较加固前，对于抵抗较大的荷载有了明显的提升，表明桥梁增强了安全储备，提升了抗风险能力。

图9 瞬时残余变形关系图

7 结语

通过喇嘛湾黄河大桥桥梁加固实例，在总结分析桥梁病害的基础上，针对性提出采用腹板局部混凝土加厚、桥面铺装等加固措施，应用效果表明，所采取的加固措施不仅能提高桥梁整体承载力和安全系数，还可以控制增加桥梁恒载，从根本上提高桥梁运行安全。根据工程实践，建议在大桥加固施工前后进行静载试验，以评价桥梁的加固效果，并为桥梁日后的养护工作提供依据。桥梁运营后，应加强桥梁的检查工作，适当加大检查频率，建议连续3年对桥梁进行跟踪观测（包括结构性病害发展、主梁挠度变化、桥面板梯度温度测试及箱梁内外温度变化等情况）。