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摘要：以贵州地区一座钢筋混凝土整体现浇空心板为例，介绍了本桥存在的病害情况，分析了病害的成因，提出了空心板由简支变连续的加固方法，通过改变空心板结构体系，提高了桥梁结构承载能力安全储备，确保了桥梁结构的安全性和耐久性。
关键词：空心板；改变结构体系；加固
引言：改变结构体系加固法是采用一定技术措施改变原结构受力体系，降低控制截面内力，提高桥梁结构整体承载能力的一种加固方法。改变结构的受力体系，能大幅地降低计算弯矩，提高结构构件的承载力，达到加强原结构的目的。本文以贵州地区一座钢筋混凝土整体现浇空心板为例，着重分析了钢筋混凝土整体现浇空心板桥在改变结构体系前后控制截面内力的变化情况，通过改变结构体系，达到了加固设计的目的。
一、桥梁概况
本桥建成于2000年12月，桥梁全长1949.0m。桥孔布置为：左幅135×13m＋1×14m＋2×16m＋2跨异形板＋2×13.9m＋6×13m；右幅136×13m＋2×13.9m＋2跨异形板＋2×16m＋1×14m＋5×13m，桥面宽度组成为：0.5m（护栏）+9.5m（左幅行车道）+1.5m（中央分隔带）+9.5m（右幅行车道）+0.5m（护栏）。上部结构为钢筋混凝土整体现浇空心板；下部结构为重力式U型桥台、扩大基础，双柱式桥墩、桩基础。桥梁设计荷载：汽车-超20级、挂车-120。
桥梁病害主要有：①所有墩顶位置的桥面连续均出现横向开裂现象，个别裂缝已经贯通铺装层。②板底横向裂缝，全桥各跨现浇整体板跨中底板4～8m范围内均有横桥向裂缝分布，缝宽0.05～0.15mm，裂缝横向断续分布，长度10cm～150cm，个别裂缝横向断续贯通，裂缝间距20cm～40cm。③腹板竖向裂缝，右幅桥第34跨整体板外侧腹板靠近跨中位置出现8条竖向裂缝，裂缝延伸至板底与板底横向裂缝贯通，裂缝间距30cm～40cm，裂缝宽度0.05mm～0.1mm，为板底横向裂缝的延续。
主要病害成因分析：
（1）桥面连续开裂：桥面连续构造位于主梁变形（梁端转动和梁体伸缩）最大的部位，加之相邻桥跨可能出现的橡胶支座弹性压缩不同步而引起的错动变形影响，使桥面连续构造受力十分复杂，使用中也最容易破坏；本桥设计于旧规范（JTJ021－89）实施期，结构计算时不考虑温度梯度荷载，温度应力的计算值偏小，从而导致桥面连续局部因温度应力过大而开裂；桥面连续构造长期处于弯拉或弯压的受力状态，随着近年来超重车辆的增加，使仅有10cm厚度的桥面连续结构承受过大的弯拉应力，在荷载达到某一程度时导致桥面连续结构超过容许应力而破坏。
（2）板底横向裂缝：全桥各跨跨中底板均存在横向裂缝，裂缝宽度在0.05mm～0.15mm之间，结构计算表明该桥各跨整体板纵向抗弯承载力均满足要求，最大裂缝宽度0.145～0.226mm之间。钢筋混凝土结构通常带裂缝工作，《公路桥涵养护规范》及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范》（JTJ023－85）规定钢筋混凝土梁板允许的裂缝宽度最大限值为0.25mm，本桥底板横向裂缝宽度没有超过规范限值。
（3）腹板竖向裂缝：右幅桥第34跨整体板外侧腹板靠近跨中位置出现8条竖向裂缝，裂缝延伸至板底与板底横向裂缝贯通，裂缝间距30cm～40cm，裂缝宽度0.05mm～0.1mm，为板底横向裂缝的延续。
二、旧桥验算结果
本桥上部结构分为13m、14m、16m和异形板四种不同跨径类型。本文选取13m跨径的空心板进行计算分析。针对桥梁结构病害，依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023-85）进行验算。
验算结果表明：13m跨径的空心板上部结构在承载能力极限状态下，跨中抗弯承载能力安全系数在1.017～1.342之间，满足规范要求但安全储备相对较小，抗剪承载能力安全系数在1.442～3.522之间满足规范要求，正常使用极限状态下裂缝宽度在0.163～0.199mm之间满足要求。
桥面连续构造承载能力极限状态下，抗弯承载能力安全系数在0.405～0.551之间，抗剪承载能力安全系数0.924，正常使用极限状态下裂缝宽度在0.175～0.253mm之间，本桥桥面连续构造抗弯、抗剪、裂缝计算均不满足要求。
三、加固设计思路及内容
加固设计思路：主体加固从改变结构体系从而改善桥面连续构造处的受力状态入手，设置简支变连续构造。加固后桥梁由简支体系变为连续构造，从根源上解决了桥面连续处开裂的问题，同时跨中截面荷载弯矩减少有利于提高结构安全储备。
加固设计内容：设置简支变连续构造，对连续墩处梁端在一定范围内清除混凝土，保留原结构钢筋，焊接梁端纵向钢筋，再浇筑混凝土形成连续截面，在负弯矩区的桥面铺装中设置Φ22纵向受力钢筋，通过植筋保证桥面铺装与梁体共同受力。然后绑扎桥面铺装层钢筋构造，最后浇筑铺装层混凝土形成连续结构。
结构连续后，连续墩处的纵向仍保持双支座。理由如下：结构连续后，支点位置出现负弯矩，如改为单支座，有结构受力明确和支座不脱空的优点，但湿接缝处剪力较大，与双支座情况相比，主梁中支座负弯矩峰值较大；若安装单支座，为保证支座安装到位，梁体必须顶升到一定高度，才能保证操作空间，如果顶升不同步对梁体安全会存在一定的施工风险，同时，因顶升的高度要求较高，临时支架和千斤顶数量较多，施工复杂，费用昂贵。而保持双支座的形式，能有效地改善主梁受力，使主梁的恒载弯矩减小(包括边跨、中跨正弯矩的降低和中支座负弯矩峰值的降低)；虽然双支座情况下，在二期恒载及活载作用下，支座易产生脱空现象，但施工时措施到位，更换支座时采取适当的垫实措施，即可解决；双支座更换时，顶升高度只需满足能放置千斤顶即可，顶升高度较低，风险小，措施费用低。
四、加固后计算结果
验算结果表明：13m跨径的空心板上部结构在承载能力极限状态下，跨中抗弯承载能力安全系数在1.160～1.462之间，满足规范要求；支点抗弯承载能力安全系数在1.334～1.392之间，满足规范要求；抗剪承载能力安全系数在1.560～3.061之间满足规范要求，正常使用极限状态下裂缝宽度在0.153～0.180mm之间，规范满足要求。
五、结语
（1）采取简支变为连续构造加固改变结构受力模式，板梁跨中弯矩明显减少，有效改善了简支板跨中受力情况。其中中腹板跨中弯矩由486.8kN.m减少到426.9kN.m减少了12.3%，结构计算安全系数由1.017提高到了1.160；边腹板跨中弯矩由356.9kN.m减少到321.1kN.m减少了10.0%，结构计算安全系数由1.114提高到了1.239，加固能有效提高板梁跨中抗弯安全储备。与此同时中腹板支点荷载产生的剪力由221.0kN增加到237.3kN增加了7.4%，结构计算安全系数由1.793降低到了1.670；边腹板支点荷载产生的剪力由113.4kN增加到130.5kN增加了15.0%，结构计算安全系数由3.522降低到了3.061；简支变连续后，连续端梁段抗剪能力有所降低但仍然满足规范要求。
（2）改变桥梁结构体系后，桥梁下部结构可能会产生次生病害，以本桥为例，桥梁由简支体系变为连续梁体系后，墩顶双支座在二期恒载及活载作用下会产生脱空现象，上部结构恒载及活载均由单排支座承担，此时，上部荷载会对盖梁及墩柱产生偏载作用，需对盖梁及墩柱进行验算。
参考文献：
[1] JTJ 021-89，公路桥涵设计通用规范
[2] JTJ 023－85，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范
[3] JTG H11－2004，公路桥涵养护规范
[4] JTG/T J22-2008，公路桥梁加固设计规范
[5] JTG/T J23－2008，公路桥梁加固施工技术规范
论文作者:韩耕文,赖波
论文发表刊物:《基层建设》2016年第34期
论文发表时间:2017/3/20
标签：裂缝论文; 结构论文; 支座论文; 桥面论文; 弯矩论文; 安全系数论文; 腹板论文; 《基层建设》2016年第34期论文;