吴宪锴

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

我国现有公路桥梁多为依据上世纪标准建造，设计荷载等级较低。近年来，随着重载交通的逐步增多，公路桥梁的负荷日趋加重，原有设计荷载已不能满足现有交通量的要求。桥面板作为桥梁结构体系中直接承受车辆轮压的结构，其工作状态也会直接影响桥梁的使用性能。尤其是对于一些早期工字梁或T梁桥梁顶采用预制混凝土桥面板的结构，由于建造年代较早，桥面板与翼缘结合处厚度较薄，混凝土质量较差、不密实，在车辆荷载和环境的共同影响下，此类桥面板很多出现了破损严重的现象，影响桥梁的结构性能，造成较大的安全隐患，有必要针对病害较为严重且可能影响结构和运营安全的预制桥面板进行维修加固处理。

桥面板结构由于受力情况较梁和墩等部件更加复杂，破坏形式多样化，针对桥面板结构加固方法的探索难度较大。目前多采用凿除破损部位重新浇注混凝土、粘贴钢板(或纤维布)、临时覆盖钢板等措施，而现有这些方法或加固效果不理想，或需中断交通，造成维修成本增大[1-8]。对于一些交通量大的主要干线公路，需要在不影响桥上交通的情况下快速完成桥面板的维修加固施工。

某桥位于京哈高速公路上，建成于1999年；
该桥分为上下行，全桥跨径布置为30.0m+13×30.0m+2×(14×30.0m)+2×24.9m+8×30.0m，跨径总长为1549.8m，桥梁总长为1556.0m，该桥为斜弯桥。桥面净宽为16.50m，外侧设置0.50m宽混凝土护栏，内侧设置0.85m宽的钢护栏，桥面铺装采用60mm厚沥青混凝土，全桥设置7道伸缩缝，分别设置在0号、52号台、1号、14号、28号、42号、44号墩顶。支座均为橡胶支座。上部结构：第1孔为预应力混凝土简支工字梁，第2～42孔、第45～52孔为先简支后连续预应力混凝土连续工字梁，每孔8片梁，7道横隔梁；
第43～44孔为单箱四室钢筋混凝土连续箱梁。下部结构：钢筋混凝土三柱式墩，钢筋混凝土肋板台，除52号桥台基础为扩大基础外，其余墩台基础均为钻孔灌注桩基础。设计荷载等级为汽车-超20级，挂车-120。验算荷载等级为特载-480。该桥第8～20孔跨河，8～14号墩位于水中，第50孔跨河。工字组合梁中梁大样图如图1所示。

图1 工字组合梁中梁大样图(单位：cm)

2.1 桥面板病害

以2020年下行桥梁桥面板检测结果为例，共计82道预制桥面板出现横向裂缝，长度为0.5～2.0m，宽度为0.1～0.3mm，部分泌死；
113道预制桥面板出现纵向裂缝，长度为0.3～4.5m，宽度为0.1～0.4mm，部分预制桥面板渗水泛碱；
10道预制桥面板出现斜向裂缝，长度为0.3～1.5m，宽度为0.1～0.3mm；
102道预制桥面板出现网状裂缝，最大面积为5×2m2，最大宽度为0.35mm；
91道预制桥面板剥落掉角，局部露筋，最大面积为1.5×2m2；
12-4、15-4号预制桥面板混凝土离析。

根据检测结果[9]，该桥上部结构技术状况等级为三类[7]，其中预制桥面板病害最为严重，且呈现出数量多、种类多、复合型病害多的特点，甚至部分出现桥面和预制桥面板病害相对应状况，桥面板病害进一步恶化将对主梁不利，影响交通安全。因此，有必要针对病害较为严重且可能影响结构和运营安全的预制桥面板进行维修加固处理。

2.2 病害成因分析

该工字组合梁预制桥面板出现的以上病害，主要成因如下：

(1)由于京哈高速交通量大、重载、超载及超速车辆较多、单轴荷载过大或前期病害处治措施不当，使得车轮反复作用及桥面板顶层混凝土掏空引起修补处及周边桥面沥青网裂、凹陷、破损。这导致了修补处桥面铺装防水功能丧失、局部积水集中，加速盐蚀、冻融作用对桥面板顶层混凝土的破坏，严重影响桥梁结构性能。

(2)由于桥面板与翼缘结合处厚度较薄，混凝土质量较差、不密实，容易积水，在雨雪的浸蚀下，部分水分渗入到桥面板混凝土内部，进入的水分溶解混凝土内部的残存氢氧化钙，并因温度升高而蒸发到混凝土表面，从而导致桥面板底面泛白；
另外，因冬季撒盐除雪，部分含有氯化钠、氯化钙等化学成分的水分渗入到桥面板混凝土内部，并透过混凝土空隙，在桥面板底面蒸发、结晶，也可能导致桥面板底面泛白。桥面板底面泛白，极易导致钢筋锈蚀，显著降低结构耐久性；
部分桥面板泛白处对应桥面铺装沥青修补、网裂、凹陷部位。

(3)现有桥面板长期承受车辆荷载作用，导致桥面板受力过大，出现纵向裂缝；
部分桥面板混凝土质量较差、抗压强度较低，且盐蚀、冻融等导致桥面板底层混凝土酥松、缺失，桥面板有效厚度下降，桥面板承载能力不足引起桥面板底面出现纵向裂缝；
桥面板底层钢筋锈蚀及桥面板底面保护层过厚也会引起桥面板底面纵向裂缝。

常规的桥面板结构加固方法采用凿除破损部位重新浇注混凝土、粘贴钢板(或纤维布)、临时覆盖钢板等措施，而现有这些方法或加固效果不理想，或需中断交通，造成维修成本增大。考虑了保通保畅、施工难易、造价等因素的影响，提出预制桥面板桥下横向钢支撑加固方案，如图2所示。该方案由钢板、横撑H型钢、斜撑槽钢三部分组成，材料均为Q345钢材，具体拟定尺寸如表1所示。首先在各桥面板底部粘贴钢板，并在其上安置横向H型钢，最后以相邻工字型主梁梁肋为支撑点，预制安装局部钢支撑(倾斜角度为45°)，形成一种钢支撑加固体系，有效提升桥面板安全性能。

图2 预制桥面板桥下加固示意图

表1 加固构件尺寸表

假设车辆荷载直接作用于加固钢板上，并将其作为最不利情况，建立加固结构实体模型，计算荷载包括加固结构自重和汽车-超20级车轮荷载，确定各加固构件的受力状态是否满足设计要求。

4.1 钢结构应力分析

通过MIDAS FEA软件建立加固结构实体模型，如图3(a)所示，计算节点121466个，模型单元73846个，材料为Q345钢材，边界条件采用下部钢垫板端部固接模拟，计算荷载主要包括加固结构自重和汽车-超20级车轮荷载作用。车轮荷载等效为面荷载施加，大小为526kN/m2，其最不利作用位置为顶面钢板中心区域。

通过实体模型有限元分析，得到钢支撑加固结构各构件应力云图如图3(b)、图3(c)、图3(d)所示。从图中分别提取钢板、横向H型钢和斜撑槽钢的最大应力值，如表2所示，依据《公路钢结构桥梁设计规范》[10](JTG D64—2015)，在结构自重和车轮荷载作用下，加固结构各钢构件的应力均小于Q345钢材的强度设计值285MPa，该加固结构可满足荷载要求。

图3 有限元建模及加固结构应力云图

表2 加固构件尺寸表

4.2 加固后横隔梁连接力验算

计算横隔梁连接力(以中横隔梁为例)：横隔梁横截面尺寸Ac=180mm×1750mm=315000mm2；
横隔梁混凝土强度C50，设计抗拉强度fcd=1.83MPa；
横隔梁受拉钢筋组成为6根Φ25钢筋，设计抗拉强度fsd=335MPa；
单块横隔板连接力FH=Acfcd+Asfsd=1562kN。

根据上述有限元模型分析结果，提取单根斜撑槽钢梁与主梁连接处端部的支反力，可知，在车辆和自重共同作用下，竖向支反力为Fz=25kN，水平推力Fy=13kN。

通过梁格法计算，在汽车-超20车辆荷载作用下，横隔板承受轴向最大拉力约为Fc=270kN。由此可见，即使以相邻横隔板间的各块预制桥面板同时加固作为最不利情况(横隔板间预制桥面板数量按照5块计)，并达到最不利受力状态时，即10×Fy+Fc=420+270=690kN，其水平推力仍远小于单个横隔板的极限承载力(FH=1562kN)。

4.3 加固结构自重对主梁影响

假设成孔加固(即所有预制板均采用横向加固方法)，将加固所用材料的自重转化为荷载作用在原主梁结构上，计算得到主梁跨中弯矩变化值见表3，加固后的弯矩包络图如图4，可知加固后主梁内力的变化仍可满足结构承载力要求。

表3 加固前后主梁弯矩变化

图4 加固后主梁弯矩图(单位：kN·m)

针对工字组合梁预制桥面板病害类型，进行了病害成因分析。考虑到混凝土预制桥面板受力特点，提出了桥下钢支撑形式的加固结构，以降低该类桥面板的运营风险。通过有限元分析，从加固结构受力性能、加固后对主体结构性能的影响方面，验证了所提出的不中断交通加固方案的合理性。通过应用这种桥下钢支撑形式的加固结构，可提高桥梁承载能力，解决预制桥面板病害多、耐久性差的问题，且能充分利用桥下原主梁之间的空间，在不影响桥上交通的条件下，快速完成施工任务，结构轻巧，增加的自重少，不会导致其他构件的连锁加固。该方法可为此类桥梁的加固设计提供一定的参考。

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