城市混凝土桥梁加固方案设计优化

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摘要：由于不同因素的影响，城市桥梁会表现出多种病害。为了防止病害对桥梁的安全性造成影响，应对病害部位进行加固。本文针对城市桥梁加固进行了以下内容研究：城市桥梁主要病害，通过实际工程对病害及承载力进行了分析，提出两种解决方案，经过方案的优化设计得到最佳方案；并根据以上内容的研究，为城市桥梁病害加固处治提供了理论参考。

关键词：城市桥梁；桥安全性；承载力

1前言

城市桥梁在运营过程中，由于材料的特性或环境影响等因素，导致桥梁出现不同程度的变形和损伤，最终导致桥梁承载能力不足而发生破坏。通常情况下，我们将这些损伤和变形定义为桥梁的病害[1]。城市桥梁病害日益严重，给桥梁的使用带来了严重影响，甚至造成安全事故。因此，解决城市桥梁病害、对桥梁进行加固设计至关重要。

2城市桥梁主要病害

2.1裂缝

裂缝是桥梁病害中最常见也是最危险的病害，且裂缝产生的原因和机理也各不相同[2]。

2.1.1结构性裂缝结构裂缝的产生主要是外部荷载作用引起的，裂缝的分布和荷载大小有关。裂缝按受力特性分类可以分为三类，每种裂缝产生的主要原因如表1所示。

2.1.2非结构性裂缝非结构裂缝的产生是因为结构在变形受到限制时，内部会产生自应力，当自应力大于混凝土的极限抗拉强度值时就会产生裂缝。引起混凝土结构产生自应力的因素有：温度变化和结构材料自身的收缩徐变[3]。在混凝土的裂缝病害中，主要存在的是非结构裂缝。

2.1.3混凝土收缩裂缝混凝土在凝结硬化过程中骨料会不断挤密压实，水分不断蒸发，使结构整体发生收缩变化。混凝土收缩产生的裂缝主要发生在结构表面，由于钢筋的拉力作用使混凝土裂缝受到阻碍只表现为较小缝隙，一般宽度为0.05～0.2mm，裂缝分布无明显变化规律。收缩裂缝不影响结构的正常使用，主要影响耐久性和外观。

2.1.4温度裂缝当桥梁内部温度随周边环境温度发生变化时，混凝土就会出现收缩和膨胀。桥梁的主要材料钢筋和混凝土两者的温度敏感程度不同，导致自身温度发生变化，钢筋和混凝土存在温差，从而导致结构内力发生改变，最终混凝土出现开裂的现象[4]。

2.2剥蚀

混凝土桥梁表层结构病害的主要表现形式有：麻面、蜂窝、空洞等。麻面是在混凝土的表层出现浆液缺少但未有钢筋外露的情况，主要表现为结构表面粗糙。蜂窝病害的主要表现是混凝土局部出现类似蜂窝的孔洞，病害产生原因：设计施工不合理、混凝土的配比偏差较大、混凝土的离析现象等。空洞是构件局部结构混凝土缺失的现象，病害产生原因：配筋保守、混凝土振捣不彻底、混凝土漏浆等。剥落是混凝土砂浆脱落、集料外漏的现象[5]。

3案例分析

3.1工程概况

本文所依托的工程为国道328驻马店市境跨铁立交桥，其全长为640m，桥梁共5联，结构形式均为箱梁，桥梁的下部结构采用的基础形式为钻孔灌注桩，桥面形式为：人行道（2.5m）+行车道（20m）+人行道（2.5m）。设计速度为60km/h，人群荷载为3.5kN/m2。本文依托其第3联，桥梁形式为钢筋混凝土箱梁，双箱双室。桥梁立面如图1所示。

3.2病害分析

该城市桥梁出现病害的主要原因有以下几点：

3.2.1该城市桥梁建立时间较早，设计时采用的是旧规范、旧指标，性比于现在的指标要求较低。该桥梁位于城市主干路，承载着该城市的主要交通流量，长时间的荷载作用下，使桥梁混凝土产生收缩徐变、预应力损失以及裂缝等病害，降低了桥梁的抗弯和抗剪承载力，安全性不足。

3.2.2本文进行加固段桥梁为第三联箱梁，结构形式为双箱双室，除支点附近4m范围内加厚外，其他位置顶板厚25cm，底板厚20cm，外腹板厚30cm，板厚偏小，一些截面抗弯、抗剪能力不足。

3.2.3该桥梁病害位置为下坡路段，且不远处有一红路灯，急刹车造成冲击力较大，对箱梁的影响较大。

3.2.4该段桥梁的箱梁产生过大挠度，底板混凝土由于开裂严重而重新浇注，同时增加了腹板。该结构表明桥梁施工过程中混凝土质量存在缺陷，支架变形造成箱梁施工后出现开裂、下挠等病害。

3.3承载力分析

通过对该段桥梁进行承载力分析可知：

3.3.1该段除11号墩外，其余各段墩顶截面的抗弯承载力均不达标，同时第10跨墩顶截面的抗剪强度不满足设计要求[6]。

3.3.2该段的抗弯和抗剪能力均降低，对抗剪强度影响较大；除11号墩墩顶截面抗弯能力满足要求，剩余截面均不满足要求。

4加固方案设计

4.1A方案设计

该方案设计主要对箱梁进行拆除，保留原有墩台。新建箱梁尺寸及标高均应与原桥相同，箱梁内设置腹板。该设计桥梁纵坡均通过墩高进行调整，箱梁底铺设钢板，保证纵坡与路线纵坡一致，主梁支座应水平；桥面横坡通过三角垫层调整，满足横坡的设计。该设计采用原材料为：预应力混凝土采用C50，人行道采用C30，钢筋采用HPB300以及HRB400的钢筋，预应力钢绞线采用直径为15.2mm，抗拉强度为1860MPa，力学性能应满足设计要求。经测算A方案的预算为1450万，工期为250d，桥面拆除会造成交通中断。为保证道路通行，需设置临时便道，拆除选择爆破拆除的方式[7]。

4.2B方案设计

B方案采用钢板－混凝土组合结构，并布置预应力筋加固。在箱梁的腹板外侧、底板下侧进行包钢处理，原梁体进行植筋处理，加厚的混凝土内设置钢束，并对其进行张拉，使原结构与加固结构形成整体，共同受力，充分利用材料的性能优势，提高混凝土结构的承载能力，增大箱梁截面的尺寸。经过对加固后的桥梁进行承载能力验算可知：该段箱梁进行加固后，桥梁的抗弯、抗剪承载力满足要求，抗弯承载力比加固前提高了53%，抗剪承载力比加固前提高了27%。另外，由行车荷载产生的跨中挠度符合设计要求，挠度值比加固前减小18%以上，截面裂缝宽度也比加固前大幅度减小。经测算A方案的预算为750万，工期为105d，施工过程不会造成交通中断，对环境影响较小。

5优化设计

本文从费用、工期、社会影响、桥梁寿命、承载力变化等方面对A、B方案进行了比较，结果见表2所示。桥梁加固方案优化设计是量化进行的，采用综合影响值表示目标值Z，通过对目标值Z进行线性函数的构造，得到计算公式。最终根据Z的取值说明方案的优劣。通过计算可知Z(A)=592.5，Z(B)=230，Z值越小，方案越优，所以B方案要优于A方案。

6结语

本文通过对城市桥梁加固方案的分析得出以下结论：

6.1城市桥梁的主要病害为裂缝和剥落，裂缝分为结构裂缝和非结构裂缝。剥落现象主要表现在混凝土的保护层。

6.2通过工程实例对桥梁的病害和承载力进行了分析，并针对性地提出了A、B两种加固设计方案。通过影响因素的对比，进行量化分析，最终得到B方案比A方案更可取。

参考文献：

[1]李东.城市人行桥加固方案设计探讨[J].工程建设与设计,2019（5）：152-154.

[2]徐晓东,黄浩,郑国华.大跨度连续梁桥病害成因分析及维修改造设计[J].城市道桥与防洪,2017（11）：90-94+11-12.

[3]陈永志.钢筋混凝土T梁加宽、加固方案设计[J].公路交通科技,2013（1）：26-28.

[4]汤海岩.某桥病害分析及加固方案设计[J].山西交通科技,2011（3）：30-32.

[5]高天才.基于城市混凝土桥梁加固设计及优化探究[J].价值工程,2020（12）：111-112.

[6]徐潮成.城市混凝土桥梁的加固改造技术初探[J].城市建设,2010（33）：207-208.

[7]马世洪.中小型混凝土桥梁的加固改造技术探讨[J].建材发展导向:下,2017（7）：105-106.

作者：戚振中 单位：驻马店市公路事业发展中心