连续梁桥加固设计
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摘要：通过对安徽某高速公路上的阜蒙新河大桥主桥连续梁进行结构分析和计算，根据计算结果，为主桥选择合理的加固设计方案。
关键词：主桥；结构分析与计算；加固设计
Abstract: through to the Anhui Expressway on the mound by New River bridge continuous beam structure analysis and calculation, according to the calculation results, as the main choice of reasonable reinforcement design scheme.
Key words: bridge; structure analysis and calculation; strengthening design
中图分类号：TU472.7文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
一、桥梁概况
阜蒙新河大桥是安徽某高速公路改建中最长的桥梁，全长899.77m，主桥跨越阜蒙公路S305采取了错孔(21.54+4x36+20)m连续梁布置，引桥为20m先张法预应力混凝土空心板，主桥的结构布置情况为：箱梁断面采用单箱单室直腹板，宽12.75m，梁高2m，腹板厚40cm，悬臂长3.25m，见图1。预应力钢束采用了三向预应力，横向每1m设置1根φS15.2-4的预应力钢束；纵向预应力沿腹板通长弯起布置，底部正弯距区两边跨采用φS15.2-16和φS15.2-12的钢束，其余中跨采用φS15.2-19和φS15.2-9的钢束，顶板负弯距区采用了φS15.2-16的钢束，每跨的顶底板采取了开设齿板槽口两端对称张拉控制；结构的抗剪设计是通过在竖向设置φ32的高强精扎螺纹钢筋，在跨中按1m设1根，在支点附近按0.5m设1根。
图1 箱梁断面图
二、桥梁病害
根据检测和调查结果，底板有少量纵向裂缝，缝宽0.10～0.15mm，左、右侧腹板（在1/4、3/4L处）下部有少数由底部向上延伸的竖向裂缝，缝宽0.10～0.15mm，并有多条横向细小不规则裂缝，底板（1/2L处）有多条纵向不连续裂缝，缝宽0.10mm～0.15mm，腹板处有斜向不连续裂缝，缝宽0.08mm～0.12mm。底板局部砼已剥落，空洞、钢筋外露，砼剥落处钢筋锈蚀严重，见图2和3。
图2底板空洞，砼脱落图3 底板砼脱落，钢筋锈蚀
三、结构分析与计算
为了进一步了解结构的实际受力状况，从而选择合理的加固措施，需对桥梁结构进行详细的理论验算。结构验算先对原结构进行复核验算，再按两种加固方式进行理论计算和分析：一是保持和路面纵坡一致，桥面加铺厚度为18cm时的组合梁计算（即将原桥面凿除重新浇筑20cm厚的整体化桥面板，将整体化桥面板和梁板共同组成一整体，形成组合梁结构），再在其上加铺10cm的沥青混凝土作为二期恒载进行设计验算；二是在原桥面直接加铺10cm的沥青混凝土，对直接加铺的恒载进行结构承载能力验算。由于本项目的车辆以重车和货车居多，故验算的标准按新规范设计荷载公路-I级进行。
对原桥进行结构验算
支点和跨中截面的承载力满足要求，正截面满足预应力混凝土A类构件的要求，但在短期荷载组合效应下，支点附近的斜截面最大主拉应力（-2.6MPa）超标；
直接加铺10cm沥青混凝土进行验算：
主桥：支点和跨中截面的承载力满足要求，正截面满足预应力混凝土A类构件的要求，但在短期荷载组合效应下，支点附近的斜截面最大主拉应力（-2.4MPa）超标；
引桥：中板的各项指标满足要求；但边板跨中截面的承载力不满足要求（承载力设计值为2210KN.m , 作用效应组合设计值为2233KN.m）。
为了保持与纵坡一致，将桥面改造加高18cm厚，桥梁按组合梁进行计算，将原12cm的混凝土铺装凿除，重新浇筑加铺20cm的整体化桥面板和10cm后的沥青混凝土进行验算：
主桥：支点和跨中截面的承载力满足要求，但构件在短期效应组合下正截面下缘最大拉应力（-1.2MPa）及斜截面最大主拉应力（-2.6MPa）超标；
引桥：中板的各项指标满足要求；边板的跨中截面承载力满足要求，但在长期荷载效应下的下缘出现拉应力（-0.7MPa），在短期荷载效应下的下缘最大拉应力和最大主拉应力（-1.9MPa）均不满足规范要求。
（4）为了尽量减少二期恒载对结构的影响，故将整体化桥面板增厚，二期恒载减薄，即由10cm沥青混凝为5cm厚的高强沥青混凝土，此时桥面混凝土为25cm厚的整体化桥面板：
主桥：支点和跨中截面的承载力满足要求；在长期和短期荷载效应下的正应力满足预应力混凝土A类构件的规范要求，但在短期荷载组合效应下，支点附近的斜截面最大主拉应力（-1.7MPa）超标；
引桥：中板的各项指标满足要求；边板的跨中截面承载力满足要求，但在长期荷载效应下出现拉应力（-0.5MPa），在短期荷载效应下的拉应力和主拉应力为-1.8MPa，均不满足规范要求。
由上可以得出，在几种工况下，主桥的承载力和正截面应力满足要求，而斜截面的主拉应力均超标；引桥的后两种方案可行，但由于桥长较长，故以引桥为控制点，尽量减少上部恒载对桥梁结构的影响，拟定第（4）种加铺方案作为改建推荐方案。
四、主桥加固设计
4.1、加固原则
根据检测报告的结论，并结合理论分析的结果，在满足现行规范的基础上，对现有结构进行补强设计，使现有结构在补强后能满足规范和正常安全运营的要求；同时桥梁加固避免不必要的拆除及更换，尽可能不损伤原结构，防止加固中造成新的结构损伤和病害。
加固时考虑结构的分阶段受力，第一阶段是以原构件截面受力的机构计算，即在新加材料与原结构未有效结合前，其恒载（含新加材料重量）由原截面承担；第二阶段是以加固后构件截面受力的结构计算，即有效结合后施加的荷载（恒载、活载和附加荷载）由加固后的组合截面共同承担。
4.2、加固分析
本桥由于主拉应力超标，设计时采用了以下几种方式进行计算加固：（1）在靠近桥面加厚层顶面增加单排预应力钢筋；（2）在箱内加厚腹板厚度；（3）整体化桥面采用微膨胀混凝土，并根据结构受力分段施工；（4）增加桥墩宽度，减小跨径。
方案（1）对下缘正拉应力改善较大，但对主拉应力改善较小；方案（2）对正拉应力和主拉应力改善均有改善，但增加了上部的恒载，对下部结构有一定的影响；方案（4）施工较为麻烦，并改变结构受力体系。综合比较，设计采用了方案（3）,并根据连续梁的受力特点，为了使结构受力合理和新旧混凝土的有效连接，进行整体化桥面板施工时要先浇注负弯矩区桥面板，待混凝土强度达到80%以上再一次性浇注正弯矩区的桥面板；同时为了确保后期加固与原桥梁结构共同受力，必须将二期荷载即桥面铺装卸除，待加固措施施工完成后，再将二期荷载恢复，使加固部分获得一个初始应力，从而确保加固部分与原结构共同受力。
根据计算，方案（3）对主拉应力改善也不大，也依然超标，见下图4，故加固设计以提高腹板的抗剪承载力为基本原则，同时兼顾提高加固后构件的耐久性能。
图4在短期效应组合作用下的主拉应力(MPa)(未计竖向预应力作用)
4.3、加固设计
由于原结构的主拉应力超标，故先对原结构的斜截面抗剪承载力进行验算，经验算，原结构的斜截面抗剪承载力能够满足规范要求。故加固设计需从提高腹板的抗剪承载力着手，同时考虑不改变原有结构为原则，采用粘贴钢板进行加固和补强，以提高桥梁的耐久性。
加固的钢板根据计算确定，在箱梁底板正弯距和顶板负弯距区分别粘贴Q345C的条带钢板和受力主筋以提高主梁的正截面抗弯承载力，在腹板外侧支点附近的剪力区域粘贴Q345C的竖向条带钢板以提高主梁的斜截面抗剪力，见图5。钢板和钢筋加固完成后，再浇筑整体化桥面板混凝土。同时为了使新旧混凝土的有效结合，将原构件的表面凿成凹凸差不小于6mm的粗糙面，再加入补偿收缩混凝土（微膨胀混凝土），膨胀剂掺量为8％。
为了充分发挥材料的受力性能，减少一部分原截面的应力，并确保后期加固措施与原桥梁结构共同受力，必须将二期荷载即桥面铺装卸除，待加固措施施工完成后，再将二期荷载恢复，使加固部分获得一个初始应力，从而确保加固部分与原结构共同受力。
图5主桥粘贴钢板加固
钢板条的厚度均为5mm，宽度为20cm，净间距为20cm，钢板采用直接涂胶法进行粘贴，为了防止钢板脱落，在钢板上按一定的距离用螺栓来加压和固定，螺栓的间距依据钢板的大小设置成梅花状或直线状。
对腹板上的竖向裂缝和斜向不连续裂缝，采用渗透结晶型防水防腐材料进行封缝处理，处理后再进行钢板的加固施工和防腐处理，见图6和图7。
图6 箱梁底板加固钢板 图7 箱梁腹板加固钢板
五、结论
通过结构计算确定有效的加固方案，该桥目前已施工完毕，在钢板粘贴之后，裂缝得到有效控制，旧裂缝未继续发展，新缝未再发生，加固效果满足设计要求。