冯官屯大桥检测及加固设计

冯官屯大桥位于104国道河北省沧州市境内，桥梁全长183.9米，桥宽为净7+2×0.5米人行道。桥梁上部构造为13孔跨径14.1米的钢筋混凝土工字梁微弯板组合梁桥每孔5片主梁，中距1.60米，无横隔梁，梁端设沥青油毛毡支座，钢筋混凝土摆柱式支座和弧形钢板支座，桥梁下部为钻孔灌注桩基础，单排双柱式桥墩，T形盖梁墩台。

该桥于1966年建成，设计荷载为汽—13，挂—60，通车运营30年来为当地的国民经济和社会发展作出巨大贡献。但随着交通量的日益增大，重型车过桥增多，桥梁适应度明显不足，技术状况有所降低，至检测加固前已限载限速通行。

为了彻底了解桥梁现有的病害及缺损状况，确定桥梁现有承载能力，为桥梁的适应度改善和维修加固提供确切的技术依据，沧州市交通局委托有关部门对冯官屯大桥进行了全面的质量检测和承载力试验鉴定。现将过程简述如下：

一、             质量检测

（一）、现状调查：

检测人员通过目力借助物理量测工具对全桥上、下部构造进行了全面的表观调查，结论如下：

1．   桥面系及栏杆部分：桥面铺装损坏较严重，出现大量网裂、坑槽，纵缝，伸缩缝大都堵塞、凹陷或缺损，栏杆开裂，混凝土剥落，露筋部位严重锈蚀，泄水管堵塞，桥面排水不畅。

2．   工字梁微弯板：主梁跨中大部出现大量竖向裂缝，混凝土保护层剥落，受拉区主筋部分锈蚀。主梁端部出现斜裂缝，已发展到梁顶区域，部分少筋微弯板出现纵向裂缝，甚至断裂。

3．   支座、盖梁桥墩：多数盖梁有不同程度混凝土胀裂，钢筋锈蚀，混凝土脱落现象，桥墩大都有胀裂现象，部分桩柱倾斜，油毛毡支座老化，已失去作用。

4．   桥面纵向线形和横坡：全桥跨中均有不同程度的下挠，增加了行车的冲击系数，测得桥面横坡为0.3%，小于设计值1.5%。

（二）、详细检查：

为了对桥梁作出切合实际的科学评价，在对桥梁作了一般表观检查后，又选取有代表性的12#孔进行详细检查，检查项目包括：

1．   裂缝详细检查：

2．   混凝土碳化深度检查：平均碳化深度为L=1.06cm。

3．   混凝土强度检查：利用超声波测得平均声速为3744.76m/s，说明质量较好。

4．   混凝土保护层厚度及钢筋分布：测得保护层平均厚度为2.675cm，不满足《公路桥涵设计规范》中不小于3cm的要求。

5．   氯离子含量测定。

6．   钢筋锈蚀检测：根据主梁钢筋暴露检查与实测的电池电位确定为锈蚀。

7．   结构细部尺寸测量。

（三）、病害分析：

1．   竖向裂缝是因正截面强度不足引起，原设计荷载较低，实际运营荷载已超出此标准，承载能力不足。

2．   斜裂缝产生是因斜截面强度不足造成，特别是支点至1/8L处截面尺寸偏小。

3．   原设计有2道中横梁，施工时并未实施，使得整体横向刚度太小，主梁扭转变形约束不足，横向弯矩全部由少筋微弯板承担。

4．   油毛毡和钢支座基本失效，主梁纵向位移受到约束，一方面加剧了支座处主梁局部承压区的混凝土安全性，为斜裂缝的开展提供了可能，另一方面上构附加力传递到墩台上，使桩柱受力加大且不合理，桩柱产生较大变形。

二、             荷载试验

通过全面质量检测发现，主梁普遍保护层偏小，梁内主筋处于锈蚀状态，主筋表面存在大量结构受力裂缝，不少裂缝基本贯穿全腹梁高度，为查明这些裂缝对主梁承载力所造成的影响，鉴定桥梁正常使用的承载能力，为病害处理和加固方案提供基础数据和技术资料，检测人员进行了静、动载试验，以确定桥梁在汽—15，挂—80和汽—20，挂—100荷载作用下的承载性能和抗力效应，清楚桥梁的自振特性及其动力响应。试验中选取具有普遍病害代表性的11#—12#墩间结构作为对象。

（一）、静力荷载试验：

    试验内容：

1．   检测主梁跨中正截面抗力效应及主梁竖向刚度。

2．   评定主梁梁端斜截面抗剪强度。

3．   检测桥墩抵抗最大垂直荷载能力。

试验荷载：

加载工况：

1.跨中最大正弯矩偏载最不利位置。

2.跨中最大正弯矩对称布载最不利位置。

3.支点斜截面剪力偏载最不利位置。

4.支点斜截面剪力对称布载最不利位置。

5.桥墩最大垂直力偏载最不利位置。

6.桥墩最大垂直力对称布载最不利位置。

观测项目：

1．   主梁跨中截面下缘钢筋应力。

2．   主梁跨中和支点变形以及桥墩沉降与盖梁变形。

3．   支点斜截面剪应力。

4．   控制截面裂缝受载扩展情况。

试验结果及分析：

1．                             主梁跨中挠度：

2．                             试验荷载下主梁横向分布系数与理论计算值

3．                             跨中各级荷载作用下主梁下缘混凝土应变实测值(μξ)

4.由实测混凝土应变推求的主梁钢筋应力(MPa)

5.支点试验实测主梁梁端主拉应力（kg/m2）

6.桥墩及盖梁变形表(mm)

结论：

1．   实测的跨中荷载分布系数与理论值不相符，试验时边梁横向分布系数略大于理论值，但较为接近，由于中、边梁采用等强度设计，这种不符无影响。

2．   主梁的裂缝均属于活动性结构裂缝，在试验荷载作用下，主梁的应变基本服从平截面假定，实测中性轴高度略低于理论计算值，说明参与主梁受拉混凝土的高度已较小，在保证主梁设计总体安全度的情况下，主梁无超载潜力可挖。

3．   试验荷载下，实测主梁应力结构校验系数和挠度校验系数在0.756~0.885和0.753~0.842之间，高于一般桥梁的0.55~0.60，此外主梁的开裂虽满足规范要求但跨中截面扩展宽度较大，并伴随有新的裂缝产生，残余挠度介于10.21~17.86%，虽小于20%，但值较高。

4．   在试验荷载作用下，主梁斜截面及桥墩沉降均可得到保证。

（二）、动力荷载试验：

动载试验实测一阶竖向自振频率为3.099HZ，满足钢筋混凝土简支梁桥不小于3.099HZ的要求，实测阻尼比较大为0.865%，高于混凝土结构无裂缝界限0.5%，实测桥跨结构冲击系数为1+μ=1.235，接近理论计算值1.23475，由此表明：桥跨结构动力性能一般。

三、             承载力验算

冯官屯大桥位于104国道上，是进出京津的主要通道，交通量大，重车多，原桥设计标准低，适应度明显不足，因此有必要对大桥主要承重结构通行汽—20，挂—100的可行性进行评估验算。

验算内容包括：主梁正截面强度，支点斜截面抗剪强度，主梁刚度及裂缝宽度，盖梁正截面强度，桩基垂直承载力分析以及支座验算：

通过承载验算，结论如下：

1．   冯官屯大桥工字梁微弯板组合梁主要承重构件控制截面的强度、刚度、裂缝宽度以及桩基承载力都能满足汽—15，挂—80的荷载要求，但其支点截面尺寸不能满足抗剪要求，跨中截面不能满足汽—15挂—80荷载要求，应增加配筋。

2．   主梁支点截面的抗剪强度，盖梁的正截面强度和主梁的刚度，裂缝宽度均能满足汽—20，挂—100的荷载要求。

3．   钢筋混凝土摆柱式支座，除摆柱正截面强度不能满足挂—80荷载要求外，其它各项验算指标均能满足汽—15，挂—80荷载要求。

4．   弧形钢板支座各项验算指标均能满足汽—15，挂—80荷载要求。

四、             加固设计

根据上述试验结论及病害分析，又考虑到旧桥东侧为一新建梁桥，两桥之间的结合问题，具体加固措施为：

1．   拆除旧桥梁端部悬臂板，新旧桥间增设一道宽主梁至新桥边缘，下部增加一根桩，新旧桥之间仅留施工缝；加大端主梁尺寸，并增设一道中横梁，以增大整体横向刚度，改善荷载横向分布，使边主梁承担较大荷载，从而对内主梁起卸载作用，以满足汽—20级正截面强度需要。

2．   增大梁端截面尺寸，以满足斜截面强度对截面尺寸的要求，提高斜截面抗剪强度。

3．   内主梁受力钢筋除锈，加补新保护层。

4．   更换破损的少筋微弯板。

5．   全部更换油毛毡支座为板式橡胶支座，并对钢支座进行改造，以消除温度等因素引起的附加内力，同时使主梁纵向变形不受约束，减轻下部结构的负担，改善主梁局部受力性能。

6．   桩柱变形过大处增设横向联系承台，既可限制桩柱水平位移，又可限制竖向位移，使病害桩共同受力。

7．   由于加固后上部恒载增加，盖梁端部负弯矩增加，可采取局部加强措施。

8．   桥面系及其它部位改造。

五、效益分析：

冯官屯大桥改造加固工程于1998年8月动工,经过二个月紧张施工,与同年10月竣工,运营三年来,各方面反映良好,达到了预期目的。

该加固工程的特点是：一、在适当增加原有桥跨结构恒载的前提下充分发挥了原桥跨结构的内在潜力，提高了荷载等级和桥梁适应度。二、新旧桥并联成一体后，改变了原来“桥宽路窄”的状况，从根本上改变了行车性能，增加了通行能力。三、通过对该桥的全面评定为今后的日常管理、定期养护及使用控制提供了可靠依据。四、该加固工程施工简捷、工期短、造价低，平均造价为6840元/延米，约为新建同类桥梁投资的34%，具有良好的经济效益。五、该加固工程的成功实施为今后桥梁建设和桥梁养护探索了一条可行之路，其具有广阔的发展前景。