贾建彪

（邢台路桥建设集团有限公司，河北 邢台 054000）

0 引言

本文通过对某大桥的结构现状及桥梁损坏情况的综合分析，在桥梁动静载试验检测分析的基础上，提出了桥梁加固方案。对加固后的桥梁开展静载荷试验分析，通过桥梁加固前后的空间有限元数值模拟及试验数据，对加固效果做出了科学评定，对类似桥梁加固工程具有重要参考价值。

1 桥梁概况与病害特征

某特大桥是京沈高速公路连接线的一个关键性大型桥梁，桥梁设计荷载（原规范）为汽车-20，挂车-100。上部结构为42孔跨径20m普通钢筋混凝土简支T型梁桥，混凝土强度为C30，桥梁下部为双柱式墩台结构。桥面宽度为净11.4+2×0.5m防撞护栏，每孔上部横向由8片混凝土T梁组成，梁高130cm，梁宽160cm。全桥采用桥面连续，3孔～5孔为一联，共十二联。

该桥的主要病害特征为：（1）桥面沥青混凝土龟裂严重，主行车道出现了不同大小的裂缝，其中纵向裂缝较多。桥面裂缝实际是结构病害的反映，特别是纵向裂缝病害可推断为T型梁之间联结性能下降或失效。而桥面病害特征是桥梁横向协同工作性能严重下降的反映。（2）该桥横隔板联结处严重开裂，特别是重车道（西侧）几乎所有的联结处焊点均发生开裂，并伴有T梁翼板铰缝混凝土脱落现象，会造成桥梁单板受力，如果不及时采取工程措施，会严重地影响运行安全。（3）多数T型混凝土梁都存在较严重的裂缝，包括跨中竖向裂缝和剪拉区斜裂缝。斜向裂缝的宽度最大处达到0.35mm，严重的部分裂缝竖向贯穿桥梁的肋板。桥体竖向的裂缝数量较多，且比较密集，部分T型钢筋混凝土梁下缘的跨中一定范围内存在裂缝，宽度最大达到0.3mm以上，裂缝沿竖向高度一般在20cm内，个别最大达到60cm。这些裂缝特征说明桥梁在车辆荷载作用下T型梁的挠度过大，抗弯中性轴已明显上移，裂缝宽度已经超出规范要求。

上述病害说明桥梁存在严重安全隐患，必须开展科学评判并采取对应的工程加固措施，确保桥梁的运行安全。

2 桥梁加固前的动静载试验分析

根据桥梁病害特征，主要开展混凝土强度试验、桥梁静荷载及桥梁动载试验。

2.1 T型梁混凝土强度试验

采用超声-回弹综合法检测混凝土强度，对钢筋混凝土梁随机抽样，共设20个测区。依据相关规程，推定钢筋混凝土梁抗压强度为26.66MPa，其抗压强度已低于设计要求（C30）。

混凝土梁在汽车荷载特别是超载车辆的反复作用下，混凝土除出现明显的表观裂缝外，其内部微观缝隙也会逐步扩展，造成声波波速下降，降低混凝土的强度。

2.2 桥梁动力试验结果分析

在环境振动激励下测试钢筋混凝土梁的一阶振动频率，并与依据设计图纸建立的桥梁空间动力有限元计算值做比较。脉动条件下大桥的振动测试分析与动力有限元分析结果如表1所示，桥梁的实测振动频率值明显小于理论值。

桥梁的振动频率是反映桥梁动刚度的重要指标，桥梁竖向振动频率与抗弯刚度成正比，与质量成反比，当桥梁出现裂缝、混凝土强度下降等病害时，通常是桥梁质量不变而抗弯刚度下降，造成桥梁振动频率下降。

表1 脉动条件下振动测试分析结果

从以上测试分析结果可以看出，脉动条件下的桥梁结构振动的主频值小于有限元分析的主频值，说明动刚度已不满足设计要求。

2.3 桥梁静载试验结果分析

实际荷载试验采用车辆加载，根据设计荷载的等级，按照内力或变形等效原则将其转换为若干个标准车来代替，即替代荷载在计算截面产生的内力或变形。

根据规范要求，采用汽车单偏载30吨、双偏载30吨、对称30吨开展桥梁的静载试验，位移测点主要布置在梁跨中、梁端，在跨中沿横向自西边梁起1#、2#、3#、4#、6#、8#梁上布置了位移传感器，在梁端2＃、4＃、6＃梁布置3个位移传感器；在西起2＃梁跨中侧面沿截面高布置了7片应变片。

根据实际测试给出桥梁挠度数据，根据设计图纸空间有限元数值模拟给出理论计算数据，通过实测数据与理论计算数据的比值可分析桥梁校验系数，主要结果如表2所示。

表2 汽车双偏载30T跨中最大位移值(mm)

校验系数是实测挠度与按设计图纸计算的理论挠度的比值，当桥梁实际力学状况下降，在相同荷载下实测挠度值必然会增大。校验系数大于1，说明桥梁力学性能已经低于设计要求，此时必须采取相应工程措施，以确保桥梁运行安全。

从表2数据中可以看出，荷载作用下的位移校验系数存在明显大于1的情况，因此该桥已经不满足设计荷载的要求。特别是双偏载30吨条件下，校验系数最大达1.39，说明存在单板受力情况。从横向挠度分布可以看出，数据变化较大，说明桥梁横向协调工作性能严重下降。

在汽车双偏载30吨下，应用空间有限元计算的理论应变与实测应变对比结果如表3所示，受拉区应变值明显大于理论值，且实测中性轴较理论计算结果向上偏移，说明该桥应变不满足汽车-20、挂车-100等级的要求。

表3 汽车双偏载30T2号梁沿截面高实测应变值（με）

3 桥梁加固方案

根据实际通行车辆荷载等级状况及桥梁动静载测试结果，桥梁加固目标为加固后该桥荷载标准维持原汽-20标准，对抗弯承载能力补强至公路Ⅰ级。根据加固设计目标，通过空间有限元数值仿真分析，并结合桥梁现场试验数据，提出如下具体加固方案。

（1）裂缝处理：出于对于经济、技术及基本性能的要求，根据对桥梁的检测分析结果，对裂缝的处理方法如下，裂缝宽度小于0.2mm的裂缝，采用表面刷环氧树脂浆液封缝处理；宽度大于0.2mm的裂缝，选取加压灌注环氧胶液封缝处理。裂缝处理后可有效阻断空气与钢筋的接触，防止钢筋进一步锈蚀。

（2）桥面铺装加固：原桥的桥面板由于长期荷载的作用，表面发生破坏，必须要拆除。将原桥面9cm水泥混凝土加9cm沥青混凝土铺装拆除，改为19cm水泥混凝土桥面板铺装，层内设计双层钢筋网，选取钢筋直径为12mm，上下层钢筋间距设为15cm×15cm。这样可提高钢筋网之间的联接强度，提高桥面板的抗压强度，适当增加截面高度，以提高桥梁承担荷载能力。

（3）横隔板加固：对连接损坏的横隔板采用钢板条锚固方式加固，把选取钢板条做成剪刀撑形，底部加设横向钢板条。根据工程经验及桥梁加固规范，确定钢板厚度为10mm，钢板加固采用湿法外包钢方式。

（4）T型梁加固：选择在T型梁的全长都增加其截面积的加固方法。为确保T型梁有足够的桥梁正截面抗弯承载能力，能够满足加固设计荷载标准，选取在梁体下部设计下马蹄，下马蹄内配置4根直径25mm的钢筋，钢筋型号选取HRB335，与原有的钢筋型号相同，然后再外包混凝土。

加固T梁下马蹄时，在原来的T形梁外侧灌注混凝土，混凝土加固设计厚度为10cm。在桥梁受剪力较大的桥梁支座到1/4桥跨处，竖向配置间距为15cm、直径12mm的箍筋，提高梁的抗剪性能。

4 桥梁加固与提级效果分析

4.1 桥梁加固效果分析

根据加固后桥梁的几何与力学参数，对桥梁开展空间有限元建模，混凝土强度取为C30、弹性模量为3×104N/mm2、泊松比为0.2、密度为2500kg/m3。

针对加固后的桥梁开展了加载试验，检验该桥的加固效果，针对原设计标准的最不利荷载跨中双偏载30吨测试数据开展加固前后对比，如表4所示。

表4 汽车双偏载30T跨中最大位移值(单位：mm)

从表4可以看出加固效果明显，加固后的跨中位移显著降低。对比表2可以看出加固后明显小于原有结构的理论计算值。如果能控制桥面汽车荷载在设计范围内，则满足正常用，但根据实际荷载调查，通常超载的大型运输车较多，因此设定了桥梁加固目标为桥梁抗弯承载能力由原汽-20标准补强至公路1级。

4.2 桥梁加固提级效果分析

桥梁加固后要求桥梁抗弯承载能由原汽-20标准补强至公路Ⅰ级。为此，对加固后的桥梁按公路Ⅰ级加载效率开展荷载试验分析。

通过现场动静载试验，根据原设计图纸结合加固设计图纸，开展空间有限元数值建模，依据数值模型开展动力有限元理论值与空间有限元挠度理论计算。

开展结构动力特性测试与动力有限元理论分析，现场实测基频为6.84Hz，理论计算值为6.95Hz，实际桥梁动态力学性能与理论计算值基本一致，表明桥梁动刚度性能基本满足加固设计要求。考虑到原上部T型混凝土梁存在裂缝与混凝土弹性模量下降等损伤，因此实测基频值略小于理论计算值。

表5与表6为桥梁加固后在满足公路Ⅰ级加载效率情况下的位移与应变测试结果。

表5 三车偏28T荷载作用下跨中位移值(mm)

根据公路Ⅰ级荷载标准，经计算采用三车28吨等效车载加载。在满足加载效率的设计荷载加载条件下，实际桥梁挠度和应变略大于理论计算值，其桥梁挠度和应变校验系数基本为1，说明基本满足加固提级为公路Ⅰ级的设计要求。由于原上部T型混凝土梁存在裂缝与混凝土弹性模量下降等损伤，因此实测挠度值略小于理论计算值。

表6 三车偏28T荷载作用下跨中梁底应变值(με)

5 结束语

本文针对某T型钢筋混凝土桥病害特征严重影响运行安全的情况，开展了桥梁动静载试验与分析，为桥梁加固改造提供了科学依据，主要结论有：

根据实际通行车辆荷载等级状况及桥梁动静载测试结果，提出了该桥梁加固目标：加固后荷载标准维持原汽-20标准，对桥梁抗弯承载能力补强至公路1级。通过空间有限元数值仿真分析，结合桥梁现场试验数据，提出了针对裂缝、桥面板、横隔板、T型梁的加固方案。

针对原设计荷载等级的加载效率，对双偏载30吨测试数据开展了加固前后对比，加固后的跨中位移显著降低，且明显小于原有结构的理论计算值，加固效果显著。

为验证桥梁加固后抗弯承载能力由原汽-20标准补强至公路Ⅰ级，对加固后的桥梁按公路Ⅰ级加载效率开展了荷载试验分析。结果表明：现场实测基频为6.84Hz，理论计算值为6.95Hz，实际桥梁动态力学性能与理论计算值基本一致，表明桥梁动刚度性能基本满足加固设计的要求。现场静载试验与理论计算结果分析表明，该桥上部结构基本满足加固设计目标要求。考虑到原上部结构加固前存在一定损伤，在理论验算时，校验系数略大于1、实测动态频率值略小于理论值是正常反映。

综上，该桥加固目标与加固方案科学合理，加固效果明显，上部结构抗弯承载能力实现提级为满足公路Ⅰ级的要求，加固后该桥荷载标准维持在原汽-20标准，同时由于桥梁抗弯承载能力提级为公路Ⅰ级而兼顾了部分重型车辆的通行，可以延长原有结构的使用寿命，满足安全运行要求。