淺談體外預(yù)應(yīng)力在舊橋加固中的應(yīng)用

李金龍 慕玉坤

（1、蘇州交通工程集團(tuán)公司三佳交通預(yù)應(yīng)力有限公司，江蘇蘇州2151282、西安瑞通路橋科技有限責(zé)任公司，陜西西安710075）

1 概述

某橋是1953年根據(jù)前蘇聯(lián)“橋涵標(biāo)準(zhǔn)圖”設(shè)計(jì)修建的雙孔單懸臂鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋。全橋分孔為2×[12.9m(懸臂)+ 33m]，中跨主梁高度為2.5m，邊跨主梁懸臂端高度為1.0m，懸臂根部高度為2.5m。下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺(tái)，木質(zhì)群樁基礎(chǔ)。橋面寬度為凈-7+2×0.75m人行道。原橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-10級(jí)，拖-60。

2000年對(duì)該橋進(jìn)行了加固處理，加固后該橋由原來(lái)的單懸臂簡(jiǎn)支梁橋改變成了四跨連續(xù)梁橋。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)提高為汽車(chē)-20級(jí)，掛-100。但由于超載車(chē)輛較多，車(chē)流量較大，在2004年末又出現(xiàn)以下病害:主梁多處存在裂縫，且大部分屬于受力裂縫，最大裂縫寬度達(dá)0.5mm，最大裂縫長(zhǎng)度達(dá)1.3m；兩中跨間墩頂處后澆段混凝土與原梁端結(jié)合面下緣被拉裂，縫寬達(dá)5mm；根據(jù)檢測(cè)，該橋的主梁混凝土強(qiáng)度為20.2Mpa；恒載作用下的中跨跨中撓度達(dá)3.3cm，在加載荷載作用下的跨中撓度達(dá)7.46mm(大于理論計(jì)算值6.50mm)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 主要材料特性

2.1.1 混凝土。鑒于主梁混凝土實(shí)測(cè)立方體強(qiáng)度為20.2Mpa，計(jì)算參數(shù)取用如下：彈性模量3.0×104Mpa，容重25kN/m3，熱膨脹系數(shù)1×10-5，標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度14Mpa。

2.1.2 鋼筋。鑒于實(shí)測(cè)碳化深度最大值僅為5mm，且鋼筋銹蝕情況不明，計(jì)算時(shí)假設(shè)鋼筋沒(méi)有發(fā)生銹蝕，按鋼筋全斷面工作考慮，鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度取240MPa。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

本橋?yàn)樵庸踢^(guò)橋梁，加固前為帶外伸懸臂的簡(jiǎn)支體系，加固時(shí)對(duì)該橋進(jìn)行了體系轉(zhuǎn)換，變?yōu)檫B續(xù)梁，由于兩中跨間墩頂主梁的固結(jié)情況不理想，故此處對(duì)加固后的橋梁按兩跨連續(xù)梁進(jìn)行考慮。

2.3 驗(yàn)算內(nèi)容

綜合考慮該橋目前病害，利用橋梁結(jié)構(gòu)通用分析程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，驗(yàn)算的主要內(nèi)容如下：(1)橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載能力驗(yàn)算；(2)橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫驗(yàn)算；(3)橋梁結(jié)構(gòu)撓度驗(yàn)算。

2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

鑒于該橋在加固前后結(jié)構(gòu)體系發(fā)生了變化，且病害較多，為了找出產(chǎn)生病害的根本原因，對(duì)橋梁內(nèi)力此處按兩跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，如圖2-1和圖2-2所示。其中，圖2-1所示的簡(jiǎn)支梁計(jì)算模型為加固前的橋梁計(jì)算模型，該階段橋梁僅承受自身恒載；圖2-2所示的連續(xù)梁計(jì)算模型為加固后的橋梁計(jì)算模型，該階段橋梁主要承受二期恒載及活載。

圖2-2 兩跨連續(xù)梁計(jì)算模型

2.5 結(jié)構(gòu)分析結(jié)論

2.5.1 在汽車(chē)-20級(jí)荷載作用下，橋跨結(jié)構(gòu)的跨中撓度能夠滿足正常使用要求。

2.5.2 在恒載和汽車(chē)-20級(jí)荷載共同作用下，橋跨結(jié)構(gòu)的裂縫寬度能夠滿足正常使用要求。在組合恒載和掛-100荷載荷載共同作用下，除邊跨L/4截面的裂縫寬度(0.3mm)不能夠滿足正常使用要求外，其它截面的裂縫寬度均能滿足正常使用要求。

2.5.3 在恒、活載的共同作用下，橋跨結(jié)構(gòu)除中跨5L/8截面和次中墩支點(diǎn)截面的抗彎極限承載能力能夠滿足設(shè)計(jì)要求外，其余各截面的抗彎、抗剪，次中墩截面的抗剪均不能滿足現(xiàn)行荷載的運(yùn)營(yíng)要求。其最小的Mu/Mj值為0.617，最小的Qu/Qj值為0.514。

3 加固方案設(shè)計(jì)

3.1 加固方案

方案一：

（1）為了改善橋跨結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對(duì)其內(nèi)力進(jìn)行重新分配，在橋跨結(jié)構(gòu)施加體外預(yù)應(yīng)力：中跨每個(gè)腹板兩側(cè)分別施加一束9φj15.24mm的鋼絞線束，邊跨每個(gè)腹板兩側(cè)分別施加一束7φj15.24mm的鋼絞線束。

（2）為了提高橋跨結(jié)構(gòu)在新、老橋結(jié)合墩支點(diǎn)截面及次中墩支點(diǎn)截面的抗剪極限承載能力，在邊跨邊支點(diǎn)截面3m范圍內(nèi)粘貼兩層0.167mm厚的碳纖維布，在次中墩支點(diǎn)截面8m范圍內(nèi)粘貼兩層0.167mm厚的碳纖維布。

方案二：

（1）為了提高橋跨結(jié)構(gòu)正彎矩區(qū)段及的抗彎極限承載能力和支點(diǎn)截面的抗剪極限承載能力，在主梁梁底正彎矩區(qū)段每隔21.5cm粘貼一道15cm寬、1.2mm厚的碳纖維板，在主梁腹板全橋范圍粘貼兩層0.167mm厚的碳纖維布(支點(diǎn)附近)和一層0.572mm厚的芳綸纖維布 (支點(diǎn)以外其它部分)。

（2）為了提高主梁在負(fù)彎矩區(qū)段(次中墩支點(diǎn)截面)的抗彎極限承載能力，在主梁支點(diǎn)截面10m范圍內(nèi)張拉預(yù)應(yīng)力，每個(gè)腹板兩側(cè)分別張拉一束5φj15.24mm的鋼絞線束。

3.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.2.1 方案一改善了結(jié)構(gòu)受力，加固后的橋跨結(jié)構(gòu)在各主要受力截面的極限承載能力均可以滿足設(shè)計(jì)要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備，其最小的Mu/Mj值為1.549，最小的Qu/Qj值為1.383。

3.2.2 方案二提高了橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力，加固后的橋跨結(jié)構(gòu)在各主要受力截面的極限承載能力均可以滿足設(shè)計(jì)要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備，其最小的Mu/Mj值為1.320，最小的Qu/Qj值為1.148。

3.3 方案比較

3.3.1 方案一從改善結(jié)構(gòu)受力的角度出發(fā)，使得各主要受力斷面的結(jié)構(gòu)內(nèi)力大幅度降低，方案二從提高結(jié)構(gòu)抗力的角度出發(fā)，使得結(jié)構(gòu)的極限承載力得到大幅度提高。

3.3.2 方案一可以使主梁產(chǎn)生1cm的預(yù)拱度，降低主梁中垮的撓度值，部分改善橋面線型，方案二不具有此優(yōu)點(diǎn)。

3.3.3 方案一由于采用預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固，屬主動(dòng)加固措施，可以部分恢復(fù)現(xiàn)有裂縫及減小裂縫寬度，對(duì)改善橋跨結(jié)構(gòu)的剛度有所幫助，方案二屬被動(dòng)加固措施，且碳纖維材料對(duì)主梁剛度幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。

3.3.4 二者的造價(jià)差異較大，方案一為103.2萬(wàn)元，方案二為150.4萬(wàn)元，后者約為前者的1.46倍。

3.3.5 方案一施工較方案二復(fù)雜，但二者的施工工期相當(dāng)，基本在2個(gè)月內(nèi)可以完成加固施工并恢復(fù)交通。

通過(guò)上述分析比較，此處認(rèn)為本橋宜采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固處理。

結(jié)語(yǔ)

①對(duì)于極限承載能力欠缺較大的橋梁，一般通過(guò)被動(dòng)加固措施來(lái)提高其極限承載能力很難達(dá)到理想的加固效果，此時(shí)，最好是通過(guò)改善結(jié)構(gòu)受力來(lái)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。

②體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)作為一種工藝相對(duì)較為成熟的主動(dòng)加固措施，可以顯著地改善結(jié)構(gòu)受力，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力得以再次重新分配，其加固效果顯著。

③體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)雖然有其獨(dú)特的優(yōu)越性，但也有其自身的弊端，如預(yù)應(yīng)力的松弛、疲勞等，故在采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固時(shí)，預(yù)應(yīng)力束的張拉控制應(yīng)力最好不要超過(guò)其極限強(qiáng)度的60%，且應(yīng)盡量保證每跨的預(yù)應(yīng)力束單獨(dú)受力，不發(fā)生相互干擾，即盡量采用短束而避免采用通常束。

[1]魏書(shū)華，梁忠寶.預(yù)應(yīng)力法加固舊橋的技術(shù)分析[J].河北工業(yè)科技，2007.

[2]李學(xué)金.體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土舊橋的應(yīng)用研究[J].天津大學(xué)，2007.