揭开50米预应力T梁的顽疾

开封黄河公路大桥改造后整体图片

开封黄河公路大桥位于开封市东北30公里处黄河干流上，全长4475m，共108跨，其中20m预应力T梁31跨，50m预应力T梁77跨；设计荷载汽车-超20级、挂车-120，人群荷载3.5kN/m2，于1989年12月建成通车。该桥自2000年起历经了多次加固改造，主要包括：取消了人行道，行车道由双向两车道变更为双向四车道；对全桥桥面进行了更换，并对全桥31跨20m预应力T梁梁底粘贴钢板、腹板斜向粘贴钢板加固；对第6跨20mT梁梁底增设体外预应力加固；对全桥横隔板粘贴钢板加固。

然而，该桥梁经过多次加固后，问题并未得到彻底解决。同时受超载车辆影响，该桥梁在自2016年起的历年检测评定中，虽然20m预应力T梁现状良好，但由于50m预应力T梁未曾加固，存在大量受力裂缝，局部混凝土甚至呈破碎状，仍被评定为4类危桥。为提升该桥安全性能，确保人民群众生命财产安全，相关人员对该桥启动加固改造工程。

超大负荷是病害主因

经专项检测发现，该桥20m预应力T梁现状良好，承载能力满足设计荷载等级（汽车-超20级，挂车-120，以下同）；50m预应力T梁存在大量受力裂缝，局部混凝土甚至呈破碎状，原设计状态（双向两车道）承载能力能够满足设计荷载等级要求，但现状（双向四车道）承载能力由于出现了新增裂缝不能满足设计荷载等级要求。

针对50m预应力T梁，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》将检测结果引入检算过程，在最不利荷载组合作用下，50m预应力T梁的抗弯承载能力均不能满足原设计89规范和承载能力检测评定规程要求，最小富裕系数仅0.87；最大拉应力和主拉应力达4MPa左右，超过了2.7MPa的限值。

结合专项检测及检算结果综合分析病害成因，桥面布置改变及恒载增加是梁体病害产生的影响因素之一，但超大交通量及大量超重车辆是造成梁体病害的最主要因素，重车的行驶车道与梁体病害程度密切关联。

加固设计标准与改造内容

加固改造设计的主要技术标准如下：设计荷载——汽车-超20、挂车-120（维持原设计荷载等级）；通航标准——五级航道；桥面宽度——维持桥面现状宽度不变，50cm（护栏）+1750cm（双向行车道）+50cm（护栏）=全宽1850cm。

加固改造主要设计内容包括：50m预应力T梁体外预应力加固，及其跨中附近梁底混凝土碎裂加固；20m、50m预应力T梁及桥墩盖梁、桩基耐久性恢复提升；更换或修复桥梁伸缩缝、支座等附属构件；全桥护栏安全性提升改造；全桥上、下部结构混凝土剥落露筋及裂缝修复；南北引道路面及交安设施改造提升；桥梁施工监控及运营阶段长期监测监控系统。

其中，50mT梁体外预应力采用2束6-Φs15.2 mm环氧涂覆无粘结钢绞线成品索，锚下控制张拉应力σcon=930MPa。T梁体外预应力加固总体布置如图1所示。

图1 T梁体外预应力加固总体布置（单位：cm） 

钢结构锚固块

钢结构锚固块采用Q355B钢板，主要由加强钢板、基座钢板、传力钢板、加劲钢板、锚垫板、钢管、粘贴钢板、锚栓以及灌注型粘钢胶等组成。由于T梁端部位置腹板变厚，为减小应力集中，增设8 mm厚底钢板。锚固块与T梁腹板采用对穿螺栓进行锚固，同时底钢板与梁体间压注结构胶。钢结构锚固块方案布置如图2所示。

（a）立面

（b）空间图

图2 钢结构锚固块方案设计图（单位：cm）

锚固块试验分析

高强耐候钢结构锚固块可工厂化预制、现场拼装，施工便捷，技术成熟，耐腐蚀。从施工便捷以及造价方面考虑，最终方案采用高强耐候钢结构锚固块方案。为验证高强耐候钢结构锚固块方案的可实施性，选取该桥某跨作为试验跨，进行高强耐候钢结构锚固块方案试验验证。

选取该桥一跨作为试验跨，测量张拉体外预应力过程中结构的响应。试验过程中，对体外预应力采用50%、80%、100%三级张拉，安装传感器监测T梁锚固区混凝土应力，以及2片边梁上锚固块相对滑移量。现场试验布置如图3所示。

（a）试验跨

（b）高强耐候钢结构锚固块局部

（c）应变测点布置

图3 现场试验布置

根据试验监测数据分析，锚固区附近混凝土应变实测值未出现异常数据，锚固区应力满足设计要求。2片边梁上锚固块相对滑移实测结果显示：锚固块与T梁腹板相对滑移最大值为0.0148mm，锚固块的滑移较小。

图4 锚固块安装完工

图5 T梁跨中包夹钢板完工

试验结果表明锚固块的应力以及位移均在设计控制值内，方案可行，最终在该桥加固中批量使用了高强耐候钢结构锚固块。

总体设计原则及设计难点

总体设计贯彻“安全适用、技术可靠、经久耐用、经济合理、环境保护”，及全寿命周期成本最优为总体设计原则，依靠检测设计一体化优势，通过专项检测、调研总结和理论分析，充分研究桥梁病害成因，以恢复使用功能、提高承载能力、增强安全性和耐久性为目的，通过针对性的反复方案比选，提出适合本项目的桥梁加固改造方案，恢复桥梁技术状况等级为2类；同时，最大限度利用既有结构、控制工程规模，并充分运用新材料、新技术及新工艺。

设计特点及难点包括：第一，T梁加固方案直接决定工程总造价。该桥全长4475m，共108跨，虽只有20m和50m预应力T梁两种结构型式，但50m预应力T梁占77跨共计536片，其加固方案直接决定着工程总造价。第二，桥梁病害复杂，加固改造难度大。该桥历经多次加固改造，一直未彻底解决问题，特别是50m预应力T梁，受超载车辆影响，出现大量受力裂缝，甚至出现混凝土破碎现象，承载能力安全系数最低仅0.87，且出现了最大约4MPa的拉应力，故桥梁承载力提升和应力改善难度非常大。第三，新老规范、新政策的融合应用。该桥加固设计需兼顾新规范新政策要求，全面提升桥梁承载能力、耐久性能及安全防护能力。其中，加固设计荷载维持原设计89规范汽车-超20级，挂车-120，其他技术标准按照《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）执行。第四，兼顾管养多元化需求。为适应新时代桥梁运营管理需求，需同步建设桥梁长期监测监控系统，以实现“主动预防式”的结构安全监测理念。

创新技术取得成效

针对项目特点，勘察设计团队创新设计、突破关键技术难点，争创精品工程，设计中采用了多项新技术或创新内容，主要有如下几点：

1.检测设计一体化模式的应用。本项目采用检测设计一体化模式，有利于项目开展。检测设计人员一起开展各种专项检测，通过检算分析评估桥梁现状承载能力，并通过荷载试验进一步核实，为加固设计提供基础资料。

2.试验检测辅助设计方式的应用。设计阶段通过理论分析与试验跨验证相结合的方式，确定50m预应力T梁采用体外预应力加固方案；加固后通过专项检测和荷载试验，验证了体外预应力加固措施的有效性，使现状承载能力提高达10%以上满足了规范要求、消除了超限拉应力、增加了压应力储备达0.6MPa以上，有效闭合了既有裂缝宽度达0.01mm。

3.体外预应力加固体系集成创新设计。体外预应力锚固块、转向块设计为模块化钢结构，以利于工厂化、标准化制作与施工；预应力索设计为整体可更换式，以利于后期维护与更换。

4.混凝土耐久性提升新材料的应用。积极采用水泥结晶型防腐新材料，有效提升结构混凝土耐久性能。

5.同步设计施工和运营期长期监测及监控系统，全面提升桥梁运营管理水平。针对桥梁施工监控和健康监测系统在硬件、软件、传输方式及数据处理方面的共性，基于耐久性、适用性原则集中在硬件设备共享、模型传递及数据延续方面，将桥梁施工期的监控延伸到运营期的结构监测系统，构建一个集约高效、技术先进、易于管理、开放兼容、实用经济、符合公路桥梁管理需求的现代化、信息化的桥梁管理平台，全面提升桥梁运营管理水平。

该桥加固改造后，桥梁使用功能及安全性能得到全面提升，尤其提高了50m预应力T梁的承载能力和刚度，恢复了压应力储备和抗裂性能，改善了行车安全和舒适性。其中，主梁抗弯承载能力最小安全系数由0.87提升至1.04。同时满足新旧规范要求，经桥梁检测和荷载试验评定为“2类”桥，达到了预期加固改造目标。为确保桥梁结构运营安全，在桥头设置了限高限重设施，严禁超载车辆通行。

该项目于2019年10月开工建设，2020年12月通车运营，至今加固改造效果良好。与此同时，参建人员通过积极探索，积累了宝贵经验。主要包括：1.项目采用检测设计一体化模式，有利于项目开展。检测设计人员一起开展各种专项检测，通过检算分析评估桥梁现状承载能力，并通过荷载试验进一步核实，为加固设计提供基础资料。2.对于既有桥梁的维修加固设计，完善的基础资料是保证加固设计成功的基石，详细的计算分析是拟定合理、可行的加固方案的重要依据。3.通过理论分析与试验跨验证相结合的方式，提出了高强度耐候钢结构锚固块及UHPC锚固块方案，有限元计算结果表明2种方案均可行，确定50mT梁采用体外预应力加固方案，加固后荷载试验验证了体外索加固措施的有效性。4.桥梁维修加固设计实际上是一个动态设计的过程，现场实际情况与原竣工图纸也不尽完全相同。在本项目的施工过程中，设计人员多次前往施工现场配合施工需要，实现了设计、施工的良好互动。重视后期服务工作不仅可以保证工程的顺利进行，而且可以提高设计质量。