根据《交通运输部2023年交通运输行业发展统计公报》统计，截至目前中小跨桥梁数量占总桥型的82.59%，其里程占比为27.93%^[1]。作为中小跨桥梁的主要桥型之一，小箱梁桥因其耐久性优良、结构简单、受力明确、施工速度快及造价低廉等优点，在国内外得到了迅速发展和广泛应用^[2]。然而在服役过程中，受多种因素影响，混凝土小箱梁桥普遍处于“带病”工作状态^[3]。相关研究表明，交通荷载是导致桥梁服役期间出现疲劳开裂的主要原因^[4]；Blagojevic^[5]通过试验分析了裂缝导致氯离子侵蚀引起主梁截面钢筋腐蚀的过程，指出开裂引起的截面强度退化是导致桥梁耐久性及使用寿命降低的主要原因；Triantafyllou^[6]以混凝土保护层的纵向裂缝宽度为基础，建立评价开裂后混凝土钢筋质量损失的模型，指出桥梁抗弯承载力随纵向裂缝宽度增大而降低；综合考虑裂缝、腐蚀、碳化等因素后评估的承载力与实测值更为接近^[7]。上述研究从物理试验、数值分析以及理论计算等方面阐述了开裂引起的病害对结构整体性能退化造成的影响。

因此，针对桥梁运营阶段出现的病害应提出恰当的维修加固方案，使其承载力得到补强，保证通车安全性十分必要^[8-9]。Naser^[10]通过试验研究了纤维增强聚合物(FRP)在桥梁加固中的应用，验证了FRP材料在提升桥梁耐久性和承载力方面的显著优势；Puurula^[11]通过有限元数值模拟分析了碳纤维加固对铁路桥承载能力的提升效果；姜海波^[12]针对混凝土梁缩尺模型，通过底面外贴钢板进行加固，研究表明该方法显著提高了混凝土梁的开裂荷载、刚度及抗弯承载力；薛达^[13]针对某预应力混凝土小箱梁桥的病害成因，设计了粘贴钢板、体内预应力以及体外预应力加固3种方案，结果显示各方案均可提升小箱梁的承载能力、抗弯刚度及抗裂性能；王世超^[14]基于病害调研，分别采用预应力碳板加固及钢板-混凝土混合加固对小箱梁进行抗弯性能试验，结果表明，两种方案均提高了小箱梁的极限承载力，其中混合加固效果更为显著；王鹏^[15]研究了梁底粘贴钢板与梁顶增设铺装层的加固方法，试验结果显示，梁底粘贴钢板加固显著提高了梁体延性，梁顶增设铺装层更有助于提高承载能力，而结合两种方法进行加固时效果最优。

综上所述，小箱梁桥在服役期间常因开裂、超载及有害物质侵蚀等因素导致承载能力逐渐退化。现有的单一加固方法虽然在提升某些结构性能方面具有一定优势，但难以全面改善小箱梁桥的抗弯承载力、抗弯刚度及抗裂性能等关键指标。尽管研究表明混合加固方法在提升整体结构性能方面具有显著优势，但对于其具体设计过程的探讨尚不充分。基于此本研究通过系统收集与整理小箱梁桥典型裂缝特征，深入分析裂缝对承载力退化的作用机理，并结合现有加固技术的优缺点，提出了针对性的混合加固方案。以某预应力混凝土小箱梁桥为研究对象，探讨混合加固方法在提升劣化开裂小箱梁桥承载性能方面的效果，旨在为小箱梁桥的加固与维修提供科学依据和技术参考。

小箱梁桥在运营期间，受到诸多因素的影响，如设计标准变化、汽车荷载增加、结构材料老化、恶劣环境侵蚀等，均会使结构产生病害，导致桥梁承载力退化^[16]。在小箱梁典型病害中，裂缝是最常见、危害最大的病害之一，一旦形成，会对桥梁整体造成损伤，导致保护层脱落，引起钢筋锈蚀，从而造成钢筋与混凝土有效面积及强度的降低，削弱承载能力^[17]。因此，有必要通过统计小箱梁桥开裂病害特征，分析其对承载力影响，为后续加固维修提供理论依据。

小箱梁桥上部结构常见的裂缝类型包括腹板斜裂缝、底板横向裂缝及横隔板竖向裂缝。腹板裂缝主要为斜向和竖向裂缝，其中斜裂缝通常呈现中间宽、两端窄的形态，多分布在梁端靠近支座至1/4跨的区域；竖向裂缝则主要分布于梁端和跨中，尤其在简支转连续箱梁的腹板下部更为显著。底板裂缝多为横向裂缝，主要位于弯矩区和跨中正弯矩区，跨中裂缝数量较多，与底板横向钢筋位置相对应。对于超载严重的桥梁，底板裂缝间距较大，部分裂缝与腹板竖缝相连呈U形或L形。此外，跨中区域还可能出现少量网状裂缝。横隔板裂缝主要为竖向裂缝，多分布于简支转连续梁的端部横隔板上，裂缝深度接近横隔板厚度，且在高度方向上无明显规律。

当主梁开裂直接影响混凝土受压区高度。伴随裂缝的产生与发展，截面中性轴上移，混凝土受压截面面积减少，造成抗弯承载力的降低，详见图 1。图中ε(y)为受压区混凝土压应变，ε_ct为混凝土受拉区边缘混凝土拉应变。由图可见，随着中和轴逐渐上移，受拉区钢筋的应变不断增大。当裂缝进一步扩展时，受拉区钢筋和预应力筋的应变相应增加，最终导致钢筋先屈服、混凝土后压碎的现象，结构的延性显著降低。主梁的开裂同时引起抗弯刚度的下降，从而影响桥梁的正常使用功能。

图 1 小箱梁桥主梁截面 Fig. 1 Main beam section of small box girder bridge

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随着服役时间的增加，小箱梁桥裂缝的存在逐渐削弱了混凝土对钢筋的保护能力，加速了钢筋腐蚀和混凝土劣化。钢筋的实际强度和有效截面面积会随着锈蚀率的增加不断减小^[18]，同时，锈蚀产物的体积膨胀对混凝土保护层产生挤压，导致保护层开裂甚至剥落，从而减小了混凝土受压区的有效面积，削弱了钢筋与混凝土的协同工作能力^[19]。裂缝的存在使得原本均匀分布的应力发生改变，局部区域的应力集中将加剧材料进一步开裂和破坏，最终导致桥面下挠过大，难以满足正常使用极限状态的要求。此外，在服役期间，小箱梁桥在重复荷载作用下疲劳耐久性下降，截面更易发生疲劳破坏^[20]。小箱梁腹板及底板处沿预应力管道方向存在较多细小裂缝，这削弱了预应力筋与混凝土之间的黏结力，导致预应力传递效率降低。同时，环境中的水分和有害元素对预应力管道的侵蚀加剧了预应力钢筋的松弛过程，最终造成小箱梁的预应力损失。

由定量分析可知，混凝土开裂分别从混凝土强度、混凝土有效面积、普通钢筋强度、普通钢筋有效面积以及预应力筋有效预应力这几个方面对结构抗弯承载力造成影响，小箱梁桥抗弯承载力计算公式如下：

(1)

(2)

式中，x为混凝土受压区高度；f_pd，f′_pd为纵向预应力筋抗拉强度设计值和抗压强度设计值；f_sd，f′_sd为纵向普通钢筋抗拉强度设计值和抗压强度设计值；A_s，A′_s为受拉区、受压区纵向普通钢筋截面面积；A_p，A′_p为受拉区、受压区纵向预应力钢筋截面面积。

目前工程中常用的加固方法包括增大截面法、粘贴钢板法和体外预应力加固法。增大混凝土截面加固技术通过在原结构上浇注新层钢筋混凝土，使其与原结构形成整体，共同承载，从而增加混凝土受压区面积，提升截面惯性矩，改善桥梁荷载的横向分布能力。然而，该方法显著增加了结构自重，通常适用于跨径较小的T形梁桥或板梁桥，其对刚度的提升效果远大于对极限抗弯承载力的提升。粘贴钢板加固技术通过将钢板粘贴在小箱梁主梁的受拉区或抗剪薄弱部位，使之与结构形成整体，从而提高刚度，限制裂缝扩展，并改善钢筋和混凝土的应力状态。该方法操作简便，且对抗弯承载力的提升效果显著，但在服役期间加固后仍可能出现裂缝。体外预应力加固技术通过在梁体增设体外预应力索，对结构施加外力，以改善原结构的受力状态，抵消部分自重应力，从而实现卸载，限制裂缝扩展，并显著提高结构的承载能力。

表 1列出了单一加固方法的加固效果对比结果，尽管单一加固技术在一定程度上能够改善结构性能，但其在实现桥梁整体性能全面提升方面存在局限性。混合加固方法通过结合多种加固材料与技术，充分发挥各自的协同作用，有效克服了单一加固技术的不足。以构件的受拉区和受压区为例，混合加固能够针对性地进行补强：如通过腹板加厚提升截面惯性矩，从而显著提高整体刚度；采用粘贴钢板或碳纤维材料加强构件的弹性模量与抗裂能力。通过合理组合这些加固措施，混合加固不仅能显著提升桥梁的极限承载力，还在刚度与抗裂性能方面展现出优异的改善效果。因此，混合加固方法是一种综合性更强、加固效果更为高效的桥梁加固策略。

为体现混合法加固的效果，本研究依托于某预应力混凝土小箱梁桥为背景，结合既有预制小箱梁桥承载力退化原因，提出相应的混合加固法，并进行单梁破坏试验，对比分析相同病害下不同加固方式对于桥梁承载力提升的不同。

桥梁全长247 m，桥梁总宽10 m，净宽9 m，跨径组合为: (8×30) m，斜度90%；上部结构采用装配式预应力混凝土连续箱梁，横向布设3片梁，采用C50混凝土；下部结构形式为柱式墩、肋板式台。桩基础桥跨总体布置如图 2所示，小箱梁桥横断面如图 3所示。

图 2 桥跨总体布置图(单位：cm) Fig. 2 Overall layout of bridge span (unit: cm)

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图 3 小箱梁桥横断面图(单位：cm) Fig. 3 Cross section of small box girder bridge(unit: cm)

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根据检测情况可知该桥主梁跨中存在较多的底板横向裂缝、腹板竖向裂缝及少量的斜向裂缝、翼板裂缝，湿接缝出现少量横向裂缝。裂缝总计81条，共长86.44 m，最大缝宽1.00 mm；腹板裂缝共计54条，其中竖向裂缝41条，占腹板裂缝总数量的76%；底板横向裂缝主要分布在1/2~3/4跨，其中梁端区域的横向裂缝通常贯穿底板全宽，裂缝分布密集，并与底板横向钢筋的位置密切相关。腹板的竖向裂缝则主要集中在跨中区域，裂缝长度不一，分布于腹板两侧。在部分跨中区域，底板的横向裂缝与腹板的竖向裂缝相互贯通，形成典型的L形或U形裂缝。此外，底板沿预应力管道方向分布的纵向裂缝亦较为常见，其裂缝数量多分布范围广。除开裂病害外，上部结构存在4处露筋现象；梁端位置存在4处渗水泛白；存在1处混凝土破损露筋。由最新一次的检测报告中承载能力评估验算及荷载试验分析可知，该桥承载能力不满足设计荷载等级要求。

依据预应力混凝土小箱梁桥的桥梁检测报告和上述分析的承载力退化机理以及既有研究经验，针对本桥病害采取加固措施。本研究设计了两种混合加固方案，旨在提高小箱梁桥抗弯承载力的同时，抑制裂缝发展，提高结构的耐久性。

方案1采用腹板加厚与底板体外预应力混合加固，腹板加厚可以有效提高由于开裂导致的结构刚度下降，底板处体外预应力的增设可以改变主梁跨中范围的内力分布，提高桥梁抗弯承载力。同时由于预应力的存在，小箱梁主梁的抗裂性也随之增加。具体操作如下：在预制箱梁腹板两侧通过外包混凝土增大箱梁腹板断面尺寸，对箱梁腹板进行局部加固补强，改善主梁支点附近原结构主拉应力状态，在预制箱梁底板张拉环氧无黏结钢绞线，抵消箱梁腹板增大截面自重增加的不利影响。混合方案1具体构造如图 4(a)所示。

图 4 混合加固方案构造示意图 Fig. 4 Schematic diagrams of hybrid reinforcement schemes

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方案2采用腹板粘贴钢板与底板加厚增设预应力混合加固，利用腹板粘贴钢板，改善主梁支点附近原结构主拉应力状态，在底板张拉体外预应力钢束，改变主梁跨中范围内力分布，提高主梁跨中抗弯承载力及跨中箱梁正截面抗裂性。具体操作如下：在小箱梁腹板两侧粘贴斜向钢板，并增加纵向钢板压条；在预制箱梁底部通过增加12 cm混凝土增加截面高度尺寸，底板加厚参与主梁受力，提高主梁承载力，同时提高预应力耐久性；在预制箱梁底板张拉环氧无黏结钢绞线，抵消底板加厚自重增加的不利影响。混合方案2具体构造如图 4(b)所示。

根据现场检测条件，试验采用由原桥梁拆下的小箱梁经过切割、浇注后的配重块进行加载，箱梁自重为一级荷载后续以跨中为对称轴左右依次加载，每次加载的持续时间取决于结构变位达到稳定标准时所需要的时间。只有在前一荷载阶段结构变位达到相对稳定后，方能进入下一个荷载阶段。主要测试内容包括应变响应、跨中位移、跨中极限抗弯承载力及裂缝随荷载的发展趋势。应变数据由静态应变测试分析系统采集；跨中位移采用电子水准仪、水准仪测量尺及桥梁挠度检测仪测量；主梁裂缝宽度由裂缝宽度测试仪获取。

未采取加固措施的原梁第10级加载时梁体破坏，混凝土被压碎钢绞线断裂试验结束，荷载总重2 160.8 kN，跨中挠度为270.0 mm，裂缝在箱梁跨中以及四分点处分布较为集中。预应力碳板加固的小箱梁荷载加载至1 947.9 kN时加固碳板开始出现异响，加载至2 160.8 kN时开始出现崩裂，典型裂缝宽度达到0.8 mm，在距梁端10~20 m范围内，间距10~20 cm，均布U形裂缝，最终破坏荷载为2 535.3 kN，跨中挠度为289.6 mm，裂缝在箱梁跨中分布较为集中。混合加固法1对应的小箱梁荷载加载至2 160.8 kN时，最大裂缝宽度达到0.6 mm，之后存在断梁风险未测量，最终破坏荷载为2 525.5 kN，跨中挠度为600.5 mm，裂缝在箱梁跨中分布较为集中，多为L形裂缝与U形裂缝；混合加固法2对应的小箱梁荷载加载至2 525.6 kN时主裂缝宽度达到0.6 mm，加载至2 679.4 kN时原梁钢绞线出现异响，最终破坏荷载为3 006.6 kN，跨中挠度为335.2 mm，裂缝分布于四分点至跨中附近，裂缝类型大多为底板横缝。

为体现混合加固法提升效果，增加单一的预应力碳板加固与之对比。本研究利用预应力混凝土小箱梁桥上拆除的4片废弃小箱梁作为试验研究对象，对小箱梁进行加固处理，后进行单梁静载破坏试验，将4片小箱梁的抗弯承载能力进行对比分析，如表 2所示。

由表 2及图 5得出，采用预应力碳板加固、混合加固方案1，及混合加固方案2对小箱梁的抗弯承载力均有提升效果，相较于未加固的原梁抗弯承载力分别增加了14.23%，14.45%，28.21%，混合加固法1的提升效果相较于预应力碳板加固提升很小，混合加固法2的提升效果是预应力碳板加固的2倍，对于承载力的提升更显著。混合加固方案2提出的腹板粘贴钢板与底板加厚增设体外预应力的加固措施，使得小箱梁抗弯承载力的提升效果达到了预应力碳板加固的2倍，同时较混合加固方案1提高了近2倍。初步分析认为，导致上述试验结果的原因在于预应力碳板加固对桥梁抗弯承载力的提升效果相对有限，而腹板加厚与底板增设体外预应力的混合加固措施则同时增加了混凝土受压区面积和受拉区钢筋的强度。此外，腹板粘贴钢板的加固措施显著提高了受拉区钢筋的面积和强度，相比单纯腹板加厚而言在抗弯承载力方面的提升更加显著。

图 5 小箱梁抗弯承载力提升率 Fig. 5 Improvement rate of flexural capacity of small box girder

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原梁在9级荷载下发生破坏，为方便对比不同加固方式对小箱梁抗弯刚度的提升效果，本研究统计了在前8级加载下各片小箱梁跨中挠度值，如图 6所示，并计算加固后小箱梁的跨中挠度相较于原梁的改变量，详见图 7。

图 6 小箱梁跨中挠度值 Fig. 6 Small box girder mid-span deflection values

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图 7 加固方法下小箱梁跨中挠度改变率 Fig. 7 Variation rates of mid-span deflection of small box girder with reinforcement methods

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由图 6，图 7可得，在各级荷载下采用预应力碳板加固、混合加固方案1及混合加固方案2下的小箱梁跨中挠度均小于未采取加固措施的原梁。随着荷载等级的逐步提高，小箱梁在加固措施下与原梁跨中挠度的差值不断增大。在前4级荷载范围内，预应力碳板加固法对挠度的改善效果最为显著，相较于原梁，其挠度改变率均大于两种混合加固方法。然而，在第5级至第8级荷载阶段，混合加固方案2对挠度的改善效果最优，其挠度改变率超过其他加固方法。预应力碳板加固法在挠度降低效果上介于混合加固方案1与混合加固方案2之间。具体而言，在第8级荷载施加后，原梁跨中挠度为279 mm，而采取预应力碳板加固、混合加固方案1和混合加固方案2的小箱梁跨中挠度相较于原梁分别降低了35.5%，16.0%和42.7%。可见根据承载力退化的原因所设计的混合加固方法能够有效提升桥梁的抗弯刚度，但不同混合加固方法在提升抗弯刚度的效果上存在差异。究其原因，受拉区增设体外预应力可以有效增强构件截面的抗裂性能，从而提高抗弯刚度；腹板加厚则通过直接增加截面惯性矩来提高刚度；而腹板粘贴钢板不仅增强了截面的弹性模量，还增加了惯性矩，使得其在抗弯刚度方面的提升效果优于单纯的腹板加厚。预应力碳板的加固效果在这两种混合加固方法之间。因此可以看出，混合加固方法在抗弯刚度的提升上并不一定完全优于单一加固方法。

本研究通过研究小箱梁桥退化机理的分析，提出相应的混合加固措施，根据荷载试验对混合加固措施的有效性进行验证，得到了以下结论：

(1) 从荷载试验结果可以看出，根据承载力退化机理所设计的混合加固法能够有效地提高桥梁抗弯承载力，相较于预应力碳板加固最大可提高在1 847.1 kN·m，提升效果最多可达预应力碳板加固的2倍，不同混合加固法之间对于承载力提升幅度存在差异。

(2) 所设计的混合加固法能够有效降低小箱梁跨中挠度值，对于提高小箱梁抗弯刚度有明显效果。混合加固法对于劣化开裂小箱梁跨中挠度的降低率在15%~45%之间，预应力碳板加固对于劣化开裂小箱梁跨中挠度的降低率最高可达35%，不同混合加固法对于抗弯刚度的提升效果不同，并非全部优于单一加固法。

(3) 在底板施加体外预应力的同时，腹板粘贴钢板能够显著提高截面的弹性模量、惯性矩以及抗拉抗压强度，而腹板加厚仅能增加截面惯性矩和混凝土面积。相比之下采用腹板粘贴钢板与底板加厚增设预应力的混合加固方法，能够更有效地提升小箱梁的抗弯承载力和抗弯刚度，其加固效果优于腹板加厚与底板体外预应力相结合的混合加固方法。