《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）—第一部分桥梁工程篇《大跨度连续箱梁桥变体系加固关键技术》

本期项目简介

完成单位：中交基础设施养护集团有限公司

主要完成人：涂金平、孙建勋、姚晓阳、沈 慧、林久平、李 剑、张晓鹏、李晓博、何 通、神 进、于德安、宁文伟、张卫国、郝晓光、王 华

项目简介

（一）项目背景

　　预应力混凝土连续梁桥具有横向抗扭刚度大、行车舒适、抗震性能相对较好、维护费用少，施工简单，技术完善，经济指标合理等优点。自20世纪70年代以来，我国公路桥梁建设中大量采用了此种结构体系。但在对已经建成的预应力混凝土连续梁桥的调查中发现，有相当大一部分该类桥梁在运营阶段发生了跨中下挠、腹板开裂等病害，大大降低了结构的承载能力，影响结构的安全性和耐久性。

　　目前常规的加固方案，如粘贴纤维布或贴钢板等被动加固方式对中小跨径的桥梁是比较适合的，但对大跨度预应力混凝土连续梁桥效果不是很明显。虽然增设体外预应力的加固方式具有一定的主动加固特点，但受结构尺寸限制，致使体外索的竖向分力与总索力比值不合理，不仅没能提供有效的竖向分力，而且容易造成锚固区局部二次损伤。如果将大跨度预应力混凝土连续梁桥全部拆除不仅代价高，中断交通时间长，而且社会影响也比较敏感。采取何种有效的加固改造方式，既能大幅提高大跨度预应力混凝土连续梁桥承载力，又不影响其美观，而且尽量减少对现有交通的影响是目前急需解决的问题。

（二）技术概况

　　本项目针对目前常规桥梁加固方案用于大跨度预应力混凝土连续梁桥技术改造、大幅度提高其承载力方面还存在一定缺陷和不足这一情况，以大跨度预应力混凝土连续梁桥为研究对象，通过理论分析、数值模拟、工程验证等方法，对大跨度连续箱梁桥变体系加固关键技术进行了系统研究。推断了大跨度预应力混凝土连续梁桥病害成因及主要影响因素，提出了预防和控制病害形成的有效措施；构建了适用于大跨度预应力混凝土连续梁桥主动加固的变体系加固设计理念及设计体系；结合大跨度预应力混凝土连续梁桥的结构特点，提出不同的变体系加固方案，并对各加固方案的适用范围、设计、施工关键技术等进行了深入研究。

（三）适用范围

　　适用于解决大跨度预应力混凝土连续梁桥出现腹板开裂、跨中下挠、承载力不足等问题。

（四）获奖情况

　　中国交通运输协会科技进步奖二等奖；中交基础设施养护集团科技进步奖。

项目创新点

　　（1）构建了适用于大跨度预应力混凝土连续梁桥主动加固的变体系加固设计理念及设计体系。

　　（2）提出了公路体外预应力混凝土桥梁承载能力极限状态和正常使用极限状态设计计算基本原则和设计控制应力限值、体外预应力筋极限应力、极限有效高度等主要控制指标，构建了截面抗弯承载能力的简化计算方法。

　　（3）揭示了连续梁变自锚悬索、自平衡拱、矮塔斜拉、自平衡钢桁架张弦梁等5种不同变体系加固方案的加固机理。

　　（4）研发了大跨度预应力混凝土连续梁桥变体系加固关键构造和施工工艺。

应用案例

　　本项目研究成果已成功应用于依托工程山西省风陵渡黄河公路特大桥加固工程，是国内首次采用附加拱式体系的变体系加固方法的桥梁。风陵渡黄河公路特大桥于1994年建成通车，全桥共两联，分别为5×87m和(87+7×114+87)m预应力混凝土连续梁，1996年、2005年、2007年、2008年对桥梁进行检查发现桥梁开裂及跨中下挠严重，2009年对桥梁进行加固，在第5、6跨新建钢箱系杆拱，形成刚梁柔拱体系，见图1。

　　图1风陵渡黄河公路特大桥加固方案示意图

　　表1列出2008年（加固前）和2020年（加固后）结构开裂情况，桥梁加固后裂缝基本消失。

表 1 加固前后箱梁裂缝分布一览表

　　图2为第5跨加固前、后桥面线形图，通车后11年跨中下挠值达到23.9cm，加固后9年仅下挠1.5cm，下挠基本稳定。

　　图2第五跨加固前后桥面线形图

　　可见改变原桥结构体系，很好的弥补了原结构承载能力不足的缺陷，从根本上解决了目前大跨度预应力混凝土连续梁桥腹板开裂、跨中下挠等问题。

社会效益与经济效益

　　我国公路危桥数量居高不下，公路桥梁安全状况不容乐观，对大跨度预应力混凝土连续梁桥如果采取的加固方案不合理，不仅起不到预定的加固效果，甚至会影响原有桥梁的性能，造成巨大的经济浪费和严重的社会不良影响。项目研究成果从根本上解决目前大跨度预应力混凝土连续梁桥腹板开裂、跨中下挠、承载力不足等问题，而且可以在对道路运营影响相对较小的情况下，以较少的投资，确保既有桥梁的运营安全，对促进和实现公路交通技术的进步，提升整个维修加固行业的设计水平具有极为显著的作用。