某预应力混凝土连续箱梁高架桥抢修加固研究

郑云鹏 王 辉

（河南信大建设集团有限公司，河南 洛阳 471000）

1 工程概况

某高架桥建于1995 年，全长为 270.04 米，上部结构5×45m 预应力混凝土连续箱梁（第1 跨～第5 跨主桥）+2×20m 预应力混凝土空心板（第6跨和第7 跨引桥）。预应力混凝土连续箱梁采用单箱单室箱梁，箱梁顶板宽12m，底板宽 5.4m，两侧腹板高度不等，倾斜形成单向横坡，纵轴中心线处箱梁高 3m。下部结构全部采用钻孔灌注桩基础（直径1.5m）；1#和8#桥台为桩柱式桥台；2#～5#桥墩采用空心薄壁墩，墩身为双室空心箱型截面；6#桥墩由原桥桥台（薄壁式）改造而来，7#桥墩为桩柱式桥墩。主桥预应力混凝土连续箱梁支座采用 TPZ—1 型盆式橡胶支座；引桥预应力混凝土空心板采用GYZD200×35 板式橡胶支座。桥面宽度：0.5m（防撞护栏）+11m（行车道）+0.5m（防撞护栏）。设计荷载：汽车-超 20 级、挂车-120。桥面铺装：原设计为8cm 水泥混凝土铺装，在2005 年加固后桥面铺装为 8cm 水泥混凝土铺装+5～6cm 厚沥青混凝土铺装。

2 桥梁病害现状调查

该高架桥曾于 2005 年进行过一次加固，加固共分两方面内容：一部分为梁体加固，一部分为桥台维修。梁体加固主要内容为：①第1 跨至第5跨张拉体外预应力束；②箱梁腹板内侧铆粘钢板、箱梁腹板外侧贴碳纤维；③箱梁腹板内侧挂钢筋网并灌注水泥基灌浆材料增大腹板截面尺寸；④采用封闭法或压浆法对裂缝进行修补。由于西侧桥台病害严重，对西侧桥台进行维修，维修的主要内容为：①西桥台新增排水及护坡工程；②西桥台周围新增 4 根加固基桩；③在承台、台身侧面植筋、新增部分承台；④为卸载桥台后方土压力，将西侧桥台改成桥墩，并在西侧增加了 2 孔 20m 的预应力混凝土空心板桥梁。

目前该桥主要存在以下病害：在2005 年之前桥梁裂缝病害较严重，加固后病害得到了有效的治理。在2017 年，加固中处治过的腹板斜向裂缝重新出现，并在2018 年箱梁顶板出现纵向裂缝，2019 年顶板纵向裂缝、腹板竖向裂缝、腹板斜向裂缝、底板横向裂缝快速增加。其中支座多数存在老化开裂，桥墩也存在较多竖向裂缝及不规则裂缝。通过对该桥进行技术状况评定，主桥（箱梁桥跨部分）上部结构 4 类，总体4 类；引桥（空心板桥跨部分）上部结构 3 类，总体2 类；该桥全桥技术状况评定等级为 4 类。根据《公路桥涵养护技术规范》（JTGH11-2004）中3.5.4 条的规定，四类桥需要进行大修或改造，及时进行交通管制，如限载、限速通过，当缺损较严重时应关闭交通。

3 抢修维修加固

3.1 抢修加固设计原则及目标

根据该桥现场特点及病害情况制定加固设计方案：①加固后恢复桥梁的承载能力及使用性能，确保安全性能比新桥不降低；②由于本项目为抢险加固工程，需要兼顾施工工期及加固效果，务求在充分保证加固效果的前提下能够使施工简便快速；③维修加固设计、施工应严格减少对原结构的损伤，设计中充分考虑施工风险，加固方案具有完备性及长期性；④维修加固设计考虑加固后的美观性，力求加固结构外观和周边结构相协调；⑤加固后桥梁技术状况评定等级恢复到2 类以上标准。

3.2 抢修加固设计内容

（1）对主桥梁板进行维修加固：①主桥跨中处增设永久支墩，使支墩与原桥墩一起承受活载作用。在每跨跨中位置增加一个混凝土永久支墩，其中 1’#、5’#墩采用桩柱式，采用直径 1.8m 的桩基接 1.6m 的立柱。2’#～4’#墩采用空心薄壁墩，长6m，宽3m，壁厚 0.6m。桥墩承台长为10.8m，宽为8.2m，承台厚度3m，承台下部为6 根直径为1.6m 的桩基；②主桥跨中处箱梁内增设中横梁。③支墩新增支座。采用板式橡胶支座，支座型号为GYZF4 D400×56。为了保证新增桥墩在活载作用下与原桥桥墩一起工作，采用可调式支座垫石，调整新增支座与梁板的接触状态。为了保证密贴，可采取新支座单点向上顶升梁板的方法，顶升力最大不超过20 吨。④在病害位置粘贴钢板进行处理。第1 跨小桩号测、第2 跨、第5 跨大桩号侧左右腹板外侧锚粘钢板加固，钢板厚8mm，宽20cm。

（2）对主桥桥面板进行加固：①更换混凝土铺装、增大混凝土铺装内钢筋、增设新老混土界面抗剪钢筋，增强桥面腹板处负弯矩承载力。②桥面板底缘纵桥向间隔 1m 增设HW200×200 型钢横梁加固，增强桥面板跨中区正弯矩承载力。

（3）对主桥桥面铺装及护栏进行改造：①将原桥混凝土铺装层从 8cm（水泥混凝土）+5～6cm（沥青混凝土）调整为10cm（水泥混凝土）+5cm（沥青混凝土）。增高的1～2cm 厚铺装采用主桥两侧顺接的方式进行处理。②原桥护栏不满足现行规范的要求，在本次抢险工程中将主桥护栏一并进行拆除改造。改造后护栏防撞等级为 SB 级。③对全桥裂缝及混凝土缺陷进行修补。④对0#、1#、2#伸缩缝进行更换。⑤对引桥空心板全部支座进行更换。

3.3 抢修加固施工难点

本工程加固施工难点主要有：①在既有主桥桥下的跨中位置增设支墩，使支墩与原桥墩一起承受活载作用。其中1＇#和5＇#支墩墩身高度分别为13.00m 和22.50m，2＇#～4＇#支墩墩身高度分别为37.50m、42.00m 和41m。与新建桥梁相比，在桥墩施工过程中，垂直运输受到既有箱梁限制。采用塔吊或吊车等大型机械设备时，由于起重臂和吊钩尺寸影响，模板和钢筋等主材均无法到达设计高度。塔吊起重臂和吊钩总高度约4～6m，汽车起重臂顶部和吊钩总高度约2～3m。1＇#和5＇#支墩桥下净空适宜采用吊车，但是受场地和便道限制，无法达到施工现场。②顶部间隙较小、混凝土浇筑和振捣困难。支墩采用可调垫石，墩顶支撑总高度仅26cm。操作空间小，混凝土浇筑和振捣都比较困难。

3.4 难点解决方案

3.4.1 针对2＇#～4＇#薄壁空心支墩

采用翻模施工技术，平头塔吊垂直运输，能够最大限度接近箱梁底部，剩余顶部节段采用汽车吊进行起吊。桥墩顶部预留一个可操作施工节段（1.5～2m），采取人工立模浇筑方式，模板和钢筋骨架垂直运输起重机起吊平移完成。薄壁空心墩底部实心段3.5m，顶部实心段2m，上下倒角段均为3m，中间为标准段。通过科学规划墩身浇筑节段，采取由上向下倒推法划分墩顶人工立模段、标准翻模段、底部第二节浇筑段和第一节浇筑段。

3.4.2 针对1＇#和5＇#圆柱支墩

采取人工立模浇筑方式，模板和钢筋骨架垂直运输由梁底安装单梁电动葫芦起重机起吊平移完成。模板和钢筋骨架通过吊车垂直放置到桥梁侧面，地面设置轨道，平移至桥墩位置，然后由单梁电动葫芦起重机起吊平移完成安装。

3.4.3 针对顶部混凝土浇筑和振捣

桥墩顶部预留30cm 高度（考虑圆柱墩系梁顶部高度），加支撑总高度26cm 共56cm，能够保障顶部人工浇筑振捣密实。预留30cm 高度可以增设垫石，或者采用永久钢模板，灌注自密实混凝土实现免振。

3.4.4 针对可调支座垫石制作和安装

可调支座垫石由上下斜面钢块、钢垫块、钢挡块和旋紧螺杆组成。根据类似项目经验和资料调查，钢块均采用20Cr 钢锻压精加工，螺杆采用45＃钢调质（6.8 级以上）加工制作，规格为M40×3，在旋动侧加工出与M33 扭力扳手配套的外六方形。需要通过建立有限元模型，模拟可调支座垫石的工作状态、安装后的受力情况，计算钢构件的节点应力来调整设计尺寸。可调支座垫石尺寸经设计确定后，由专业厂家生产制作。

4 加固效果分析评价

4.1 增设永久支墩前后结果比较

4.1.1 抗弯极限承载能力比较

表1 抗弯极限承载能力比较表

4.1.2 正截面抗裂能力比较

表2 正截面顶缘抗裂能力比较表

表3 正截面底缘抗裂能力比较表

4.1.3 斜截面抗裂能力比较

表4 斜截面底缘抗裂能力比较表

从表1～表4 比较结果可知，采取增设永久支墩加固措施后，主梁的抗弯极限承载能力、抗剪极限承载能力、正截面顶底缘抗裂能力、斜截面底缘抗裂能力、正截面压应力能力均在一定程度上改善，说明增设永久支墩后对结果受力改善较大，效果较好。

4.2 桥面板加固前后结果比较

（1）更换混凝土铺装、增大混凝土铺装内部钢筋、增设新老混凝土界面抗剪钢筋、增强桥面腹板处负弯矩承载力。将原桥混凝土铺装层从8cm（水泥混凝土）+6cm（沥青混凝土）调整为10cm（水泥混凝土）+5cm（沥青混凝土）。

（2）桥面板跨中区底缘每1m 增设型钢及相应抗剪连接件，增强桥面板跨中区域正弯矩承载力。当考虑桥面铺装与顶板共同受力后计算结果如表7～表8 所示。

表7 加固后跨中抗弯极限承载能力计算结果

表8 加固后跨中裂缝验算结果

从表7～表8 比较结果可知，加固完毕后，桥面板的承载能力满足要求，富裕度125%，裂缝宽度也小于限值。

5 结论

本文以一座（5×45）m 预应力混凝土连续箱梁抢修加固为工程实例，研究结果表明：通过采取增设永久支墩加固措施后，主梁的抗弯极限承载能力、抗剪极限承载能力、正截面顶底缘抗裂能力、斜截面底缘抗裂能力、正截面压应力能力均在一定程度上改善，说明增设永久支墩后对结果受力改善较大，效果较好。同时通过对桥面板跨中区底缘每1m 增设型钢及相应抗剪连接件，加固完毕后，桥面板的承载能力满足要求，富裕度125%，裂缝宽度也小于规范限值。