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)計修建的雙孔單懸臂鋼筋混凝土簡支梁橋。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，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)計荷載等級為汽-10級，拖-60。

2000年對該橋進行了加固處理，加固后該橋由原來的單懸臂簡支梁橋改變成了四跨連續(xù)梁橋。設(shè)計荷載等級提高為汽車-20級，掛-100。但由于超載車輛較多，車流量較大，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0.5mm，最大裂縫長度達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5mm；根據(jù)檢測，該橋的主梁混凝土強度為20.2Mpa；恒載作用下的中跨跨中撓度達3.3cm，在加載荷載作用下的跨中撓度達7.46mm(大于理論計算值6.50mm)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)計算分析

2.1 主要材料特性

2.1.1 混凝土。鑒于主梁混凝土實測立方體強度為20.2Mpa，計算參數(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)抗壓強度14Mpa。

2.1.2 鋼筋。鑒于實測碳化深度最大值僅為5mm，且鋼筋銹蝕情況不明，計算時假設(shè)鋼筋沒有發(fā)生銹蝕，按鋼筋全斷面工作考慮，鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)強度取240MPa。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

本橋為曾加固過橋梁，加固前為帶外伸懸臂的簡支體系，加固時對該橋進行了體系轉(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，故此處對加固后的橋梁按兩跨連續(xù)梁進行考慮。

2.3 驗算內(nèi)容

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

2.4 結(jié)構(gòu)計算模型

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，對橋梁內(nèi)力此處按兩跨連續(xù)梁進行計算，如圖2-1和圖2-2所示。其中，圖2-1所示的簡支梁計算模型為加固前的橋梁計算模型，該階段橋梁僅承受自身恒載；圖2-2所示的連續(xù)梁計算模型為加固后的橋梁計算模型，該階段橋梁主要承受二期恒載及活載。

圖2-2 兩跨連續(xù)梁計算模型

2.5 結(jié)構(gòu)分析結(jié)論

2.5.1 在汽車-20級荷載作用下，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-20級荷載共同作用下，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截面和次中墩支點截面的抗彎極限承載能力能夠滿足設(shè)計要求外，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)行荷載的運營要求。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

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)，對其內(nèi)力進行重新分配，在橋跨結(jié)構(gòu)施加體外預(yù)應(yīng)力：中跨每個腹板兩側(cè)分別施加一束9φj15.24mm的鋼絞線束，邊跨每個腹板兩側(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)合墩支點截面及次中墩支點截面的抗剪極限承載能力，在邊跨邊支點截面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(支點附近)和一層0.572mm厚的芳綸纖維布 (支點以外其它部分)。

（2）為了提高主梁在負彎矩區(qū)段(次中墩支點截面)的抗彎極限承載能力，在主梁支點截面10m范圍內(nèi)張拉預(yù)應(yīng)力，每個腹板兩側(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)計要求，且具有一定的安全儲備，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)計要求，且具有一定的安全儲備，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。

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

3.3.4 二者的造價差異較大，方案一為103.2萬元，方案二為150.4萬元，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個月內(nèi)可以完成加固施工并恢復(fù)交通。

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

結(jié)語

①對于極限承載能力欠缺較大的橋梁，一般通過被動加固措施來提高其極限承載能力很難達到理想的加固效果，此時，最好是通過改善結(jié)構(gòu)受力來對橋跨結(jié)構(gòu)進行加固處理。

②體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)作為一種工藝相對較為成熟的主動加固措施，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)力進行加固時，預(yù)應(yīng)力束的張拉控制應(yīng)力最好不要超過其極限強度的60%，且應(yīng)盡量保證每跨的預(yù)應(yīng)力束單獨受力，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.