裝配式簡支空心板梁橋體外橫向預應力加固效果分析

劉鳳山等

摘要：為了修復裝配式簡支空心板梁橋的鉸縫病害，采用體外橫向預應力對其進行加固，通過有限元模擬計算以及靜載試驗對加固效果進行了分析評估，結果表明：體外橫向預應力有效改善了空心板梁橋的荷載橫向分布，增強了板間的橫向聯系，鉸縫病害得到修復，可為類似橋梁的維修、加固提供借鑒。

關鍵詞：空心板梁橋；體外橫向預應力；加固效果；有限元

中圖分類號：U443.17文獻標志碼：B

Abstract： In order to fix the hinge joints problems of fabricated simplysupported hollowslab bridge， external transverse prestress was applied for reinforcement. The reinforcement effect was assessed by finite element numerical simulation and static load test. The results indicate that external transverse prestress effectively improves the transverse distribution of load on hollowslab bridge， and the diseases in hinge joints are avoided， which provides reference for similar bridge projects.

Key words： hollowslab bridge； external transverse prestress； reinforcement effect； finite element

0引言

裝配式簡支空心板具有建筑高度低、安裝方便、用材經濟等優點，是中、小跨徑橋梁中廣泛采用的橋型。但隨著運營年限的增長，簡支空心板梁橋普遍出現鋪裝層沿板鉸縫縱向開裂、板縫間填縫料脫節以及梁板間鉸縫破碎、塌陷等現象，致使荷載不能有效地橫向傳遞，空心板出現單板受力狀態，危及板梁的結構受力以及行車安全[12]。

通過體外橫向預應力來提高空心板橋的橫向聯系是一種比較理想的加固方式，能主動解決橫向應力問題。本文所依托的擴建工程的新橋還未驗收，不屬于目前養護單位的管理范疇，因此僅能對舊橋空心板施加橫向預應力，并對其進行有限元分析，結合靜載試驗驗證，研究該方法的可行性，為同類橋梁的加固和養護提供有益借鑒。

1工程概況

某跨線橋長141.35 m，共9跨，跨徑組合為1×10 m+8×16 m，雙幅分離式，每幅兩車道。擴建前橋面橫向布置為0.485 m（防撞墻）+11.128 m（行車道）+0.485 m（防撞墻）。擴建后橋面橫向布置為0485 m（防撞墻）+19.428 m（行車道）+0.485 m（防撞墻）。原設計荷載等級為：汽超20，掛120；擴建結構荷載等級為：公路I級。

橋梁上部結構為先張法預應力混凝土圓孔板梁，主要存在的病害為：梁間鉸縫開裂破損，對應橋面鋪裝縱向開裂，較為嚴重的發展到鉸縫斷裂失效，形成單板受力。擬采用體外橫向預應力對其進行加固，為了了解加固效果，選擇16 m跨作為試驗分析跨。

2病害成因及加固設計

2.1病害成因分析

裝配式空心板鉸縫開裂破損、斷裂失效以至于形成單板受力這類病害的原因較為復雜，與設計、施工以及后期的運營管養均有一定關系。通過對16 m、20 m等跨徑的空心板進行驗算分析，發現這些病害的產生很大程度上是對空心板梁橋橫向受力和變形考慮不周。由于空心板橫向聯系過于薄弱，而其自身的橫向剛度又很大，在恒活載作用下，橫向變形必然會造成橫斷面梳形張開，從而引起破壞。

2.2體外橫向預應力加固機理

（1） 在空心板板底增設體外橫向預應力，會使鉸縫橫向下緣混凝土處于受壓狀態，平衡了恒、活載引起的橫向彎矩，即各空心板相互之間可以同時承受豎向剪力和彎矩，結構形式則由鉸接轉化成了剛接，增強了空心板的橫向聯結能力。

（2） 裝配式空心板橋鉸縫的抗剪強度除了受施工質量影響以外，很大程度上還取決于鉸縫混凝土與梁體混凝土間的摩阻力和粘結力；而混凝土間的摩阻力為橫向水平分力和摩阻系數的乘積，施加體外橫向預應力可以增大混凝土間的摩阻力，鉸縫的抗剪強度得到了增強，因此，從這一方面來看，空心板的橫向聯結能力也得到了提高[3]。

2.3體外橫向預應力加固設計

針對該橋的特點，在跨中8 m范圍內（橫向應力相對較大的位置）張拉9根體外預應力鋼束。每束預應力采用單根Φs 1524 mm高強低松弛鋼絞線成品索。每根鋼絞線縱向間距1 m，張拉控制應力為1 023 MPa。此外，還應考慮鋼筋回縮、錨具變形及墊板壓密和預應力鋼絞線應力松弛引起的預應力損失。錨固裝置采用厚鋼板制作，通過錨栓與梁體連接。體外橫向預應力加固橫斷面和平面布置分別如圖3、4所示。

3.2靜載試驗驗證結果

從橫向分布測試結果來看，與加固前狀態相比，在加載車橫向移動過程中，各輪位作用下梁體撓曲線更加趨于平緩，特別是對于4#～11#梁來說，如圖9所示，其橫向分布峰值降低較為明顯，說明張拉體外橫向預應力后，空心板梁橋的橫向聯系得到了增強。

從承載能力測試結果來看，與加固前狀態相比，各片梁的縱向應力和豎向撓度校驗系數均有所降低。例如，加固前2#、3#板縱向應力校驗系數分別為0474、0.452，加固后校驗系數分別為0.471、0354；加固前2#、3#板豎向撓度校驗系數分別為0.379、0.396，加固后校驗系數分別為0.338、0344。這表明舊橋梁間荷載傳遞更加均勻有效，結構橫向整體性有所加強。

從鉸縫擴展測試結果來看，加固前后舊橋板間鉸縫均出現一定的擴展，加固前鉸縫橫向應變最大測試值為469 με，加固后為324 με，加固后舊橋鉸縫擴展情況有較為明顯的改善。

荷載橫向分布，增強板間的橫向聯系，避免出現單板受力現象。張拉效果會受到鉸縫自身狀態差異性的影響，應力傳遞會在底板附近形成“壓力拱”現象，若對鉸縫下緣灌漿密實，縱縫改善效果會更加顯著。張拉體外橫向預應力對多片式板梁橫向整體性改善明顯，可作為類似橋梁維修加固的有益借鑒。

參考文獻：

[1]陳淮，張云娜，葛素娟.橫向體外預應力加固裝配式空心板橋的探討[J].鐵道科學與工程學報，2008，5（6）：2225.

[2]黃民元.體外預應力結構的受力性能研究[J].筑路機械與施工機械化，2009，26（6）：6466.

[3]梁全富.簡支空心板梁橋體外橫向預應力加固機理分析[J].福建建筑，2008（8）：107109.

[4]張柳煜，陳偕民，鄔曉光.臘芒大橋體外預應力加固分析與設計[J].筑路機械與施工機械化，2009，26（10）：5557.

[5]陳小英，李唐寧，黃音，等.CFRP體外預應力加固鋼筋混凝土T型梁試驗[J].中國公路學報，2010，23（2）：5663.

[責任編輯：王玉玲]endprint

摘要：為了修復裝配式簡支空心板梁橋的鉸縫病害，采用體外橫向預應力對其進行加固，通過有限元模擬計算以及靜載試驗對加固效果進行了分析評估，結果表明：體外橫向預應力有效改善了空心板梁橋的荷載橫向分布，增強了板間的橫向聯系，鉸縫病害得到修復，可為類似橋梁的維修、加固提供借鑒。

關鍵詞：空心板梁橋；體外橫向預應力；加固效果；有限元

中圖分類號：U443.17文獻標志碼：B

Abstract： In order to fix the hinge joints problems of fabricated simplysupported hollowslab bridge， external transverse prestress was applied for reinforcement. The reinforcement effect was assessed by finite element numerical simulation and static load test. The results indicate that external transverse prestress effectively improves the transverse distribution of load on hollowslab bridge， and the diseases in hinge joints are avoided， which provides reference for similar bridge projects.

Key words： hollowslab bridge； external transverse prestress； reinforcement effect； finite element

0引言

裝配式簡支空心板具有建筑高度低、安裝方便、用材經濟等優點，是中、小跨徑橋梁中廣泛采用的橋型。但隨著運營年限的增長，簡支空心板梁橋普遍出現鋪裝層沿板鉸縫縱向開裂、板縫間填縫料脫節以及梁板間鉸縫破碎、塌陷等現象，致使荷載不能有效地橫向傳遞，空心板出現單板受力狀態，危及板梁的結構受力以及行車安全[12]。

通過體外橫向預應力來提高空心板橋的橫向聯系是一種比較理想的加固方式，能主動解決橫向應力問題。本文所依托的擴建工程的新橋還未驗收，不屬于目前養護單位的管理范疇，因此僅能對舊橋空心板施加橫向預應力，并對其進行有限元分析，結合靜載試驗驗證，研究該方法的可行性，為同類橋梁的加固和養護提供有益借鑒。

1工程概況

某跨線橋長141.35 m，共9跨，跨徑組合為1×10 m+8×16 m，雙幅分離式，每幅兩車道。擴建前橋面橫向布置為0.485 m（防撞墻）+11.128 m（行車道）+0.485 m（防撞墻）。擴建后橋面橫向布置為0485 m（防撞墻）+19.428 m（行車道）+0.485 m（防撞墻）。原設計荷載等級為：汽超20，掛120；擴建結構荷載等級為：公路I級。

橋梁上部結構為先張法預應力混凝土圓孔板梁，主要存在的病害為：梁間鉸縫開裂破損，對應橋面鋪裝縱向開裂，較為嚴重的發展到鉸縫斷裂失效，形成單板受力。擬采用體外橫向預應力對其進行加固，為了了解加固效果，選擇16 m跨作為試驗分析跨。

2病害成因及加固設計

2.1病害成因分析

裝配式空心板鉸縫開裂破損、斷裂失效以至于形成單板受力這類病害的原因較為復雜，與設計、施工以及后期的運營管養均有一定關系。通過對16 m、20 m等跨徑的空心板進行驗算分析，發現這些病害的產生很大程度上是對空心板梁橋橫向受力和變形考慮不周。由于空心板橫向聯系過于薄弱，而其自身的橫向剛度又很大，在恒活載作用下，橫向變形必然會造成橫斷面梳形張開，從而引起破壞。

2.2體外橫向預應力加固機理

（1） 在空心板板底增設體外橫向預應力，會使鉸縫橫向下緣混凝土處于受壓狀態，平衡了恒、活載引起的橫向彎矩，即各空心板相互之間可以同時承受豎向剪力和彎矩，結構形式則由鉸接轉化成了剛接，增強了空心板的橫向聯結能力。

（2） 裝配式空心板橋鉸縫的抗剪強度除了受施工質量影響以外，很大程度上還取決于鉸縫混凝土與梁體混凝土間的摩阻力和粘結力；而混凝土間的摩阻力為橫向水平分力和摩阻系數的乘積，施加體外橫向預應力可以增大混凝土間的摩阻力，鉸縫的抗剪強度得到了增強，因此，從這一方面來看，空心板的橫向聯結能力也得到了提高[3]。

2.3體外橫向預應力加固設計

針對該橋的特點，在跨中8 m范圍內（橫向應力相對較大的位置）張拉9根體外預應力鋼束。每束預應力采用單根Φs 1524 mm高強低松弛鋼絞線成品索。每根鋼絞線縱向間距1 m，張拉控制應力為1 023 MPa。此外，還應考慮鋼筋回縮、錨具變形及墊板壓密和預應力鋼絞線應力松弛引起的預應力損失。錨固裝置采用厚鋼板制作，通過錨栓與梁體連接。體外橫向預應力加固橫斷面和平面布置分別如圖3、4所示。

3.2靜載試驗驗證結果

從橫向分布測試結果來看，與加固前狀態相比，在加載車橫向移動過程中，各輪位作用下梁體撓曲線更加趨于平緩，特別是對于4#～11#梁來說，如圖9所示，其橫向分布峰值降低較為明顯，說明張拉體外橫向預應力后，空心板梁橋的橫向聯系得到了增強。

從承載能力測試結果來看，與加固前狀態相比，各片梁的縱向應力和豎向撓度校驗系數均有所降低。例如，加固前2#、3#板縱向應力校驗系數分別為0474、0.452，加固后校驗系數分別為0.471、0354；加固前2#、3#板豎向撓度校驗系數分別為0.379、0.396，加固后校驗系數分別為0.338、0344。這表明舊橋梁間荷載傳遞更加均勻有效，結構橫向整體性有所加強。

從鉸縫擴展測試結果來看，加固前后舊橋板間鉸縫均出現一定的擴展，加固前鉸縫橫向應變最大測試值為469 με，加固后為324 με，加固后舊橋鉸縫擴展情況有較為明顯的改善。

荷載橫向分布，增強板間的橫向聯系，避免出現單板受力現象。張拉效果會受到鉸縫自身狀態差異性的影響，應力傳遞會在底板附近形成“壓力拱”現象，若對鉸縫下緣灌漿密實，縱縫改善效果會更加顯著。張拉體外橫向預應力對多片式板梁橫向整體性改善明顯，可作為類似橋梁維修加固的有益借鑒。

參考文獻：

[1]陳淮，張云娜，葛素娟.橫向體外預應力加固裝配式空心板橋的探討[J].鐵道科學與工程學報，2008，5（6）：2225.

[2]黃民元.體外預應力結構的受力性能研究[J].筑路機械與施工機械化，2009，26（6）：6466.

[3]梁全富.簡支空心板梁橋體外橫向預應力加固機理分析[J].福建建筑，2008（8）：107109.

[4]張柳煜，陳偕民，鄔曉光.臘芒大橋體外預應力加固分析與設計[J].筑路機械與施工機械化，2009，26（10）：5557.

[5]陳小英，李唐寧，黃音，等.CFRP體外預應力加固鋼筋混凝土T型梁試驗[J].中國公路學報，2010，23（2）：5663.

[責任編輯：王玉玲]endprint

摘要：為了修復裝配式簡支空心板梁橋的鉸縫病害，采用體外橫向預應力對其進行加固，通過有限元模擬計算以及靜載試驗對加固效果進行了分析評估，結果表明：體外橫向預應力有效改善了空心板梁橋的荷載橫向分布，增強了板間的橫向聯系，鉸縫病害得到修復，可為類似橋梁的維修、加固提供借鑒。

關鍵詞：空心板梁橋；體外橫向預應力；加固效果；有限元

中圖分類號：U443.17文獻標志碼：B

Abstract： In order to fix the hinge joints problems of fabricated simplysupported hollowslab bridge， external transverse prestress was applied for reinforcement. The reinforcement effect was assessed by finite element numerical simulation and static load test. The results indicate that external transverse prestress effectively improves the transverse distribution of load on hollowslab bridge， and the diseases in hinge joints are avoided， which provides reference for similar bridge projects.

Key words： hollowslab bridge； external transverse prestress； reinforcement effect； finite element

0引言

裝配式簡支空心板具有建筑高度低、安裝方便、用材經濟等優點，是中、小跨徑橋梁中廣泛采用的橋型。但隨著運營年限的增長，簡支空心板梁橋普遍出現鋪裝層沿板鉸縫縱向開裂、板縫間填縫料脫節以及梁板間鉸縫破碎、塌陷等現象，致使荷載不能有效地橫向傳遞，空心板出現單板受力狀態，危及板梁的結構受力以及行車安全[12]。

通過體外橫向預應力來提高空心板橋的橫向聯系是一種比較理想的加固方式，能主動解決橫向應力問題。本文所依托的擴建工程的新橋還未驗收，不屬于目前養護單位的管理范疇，因此僅能對舊橋空心板施加橫向預應力，并對其進行有限元分析，結合靜載試驗驗證，研究該方法的可行性，為同類橋梁的加固和養護提供有益借鑒。

1工程概況

某跨線橋長141.35 m，共9跨，跨徑組合為1×10 m+8×16 m，雙幅分離式，每幅兩車道。擴建前橋面橫向布置為0.485 m（防撞墻）+11.128 m（行車道）+0.485 m（防撞墻）。擴建后橋面橫向布置為0485 m（防撞墻）+19.428 m（行車道）+0.485 m（防撞墻）。原設計荷載等級為：汽超20，掛120；擴建結構荷載等級為：公路I級。

橋梁上部結構為先張法預應力混凝土圓孔板梁，主要存在的病害為：梁間鉸縫開裂破損，對應橋面鋪裝縱向開裂，較為嚴重的發展到鉸縫斷裂失效，形成單板受力。擬采用體外橫向預應力對其進行加固，為了了解加固效果，選擇16 m跨作為試驗分析跨。

2病害成因及加固設計

2.1病害成因分析

裝配式空心板鉸縫開裂破損、斷裂失效以至于形成單板受力這類病害的原因較為復雜，與設計、施工以及后期的運營管養均有一定關系。通過對16 m、20 m等跨徑的空心板進行驗算分析，發現這些病害的產生很大程度上是對空心板梁橋橫向受力和變形考慮不周。由于空心板橫向聯系過于薄弱，而其自身的橫向剛度又很大，在恒活載作用下，橫向變形必然會造成橫斷面梳形張開，從而引起破壞。

2.2體外橫向預應力加固機理

（1） 在空心板板底增設體外橫向預應力，會使鉸縫橫向下緣混凝土處于受壓狀態，平衡了恒、活載引起的橫向彎矩，即各空心板相互之間可以同時承受豎向剪力和彎矩，結構形式則由鉸接轉化成了剛接，增強了空心板的橫向聯結能力。

（2） 裝配式空心板橋鉸縫的抗剪強度除了受施工質量影響以外，很大程度上還取決于鉸縫混凝土與梁體混凝土間的摩阻力和粘結力；而混凝土間的摩阻力為橫向水平分力和摩阻系數的乘積，施加體外橫向預應力可以增大混凝土間的摩阻力，鉸縫的抗剪強度得到了增強，因此，從這一方面來看，空心板的橫向聯結能力也得到了提高[3]。

2.3體外橫向預應力加固設計

針對該橋的特點，在跨中8 m范圍內（橫向應力相對較大的位置）張拉9根體外預應力鋼束。每束預應力采用單根Φs 1524 mm高強低松弛鋼絞線成品索。每根鋼絞線縱向間距1 m，張拉控制應力為1 023 MPa。此外，還應考慮鋼筋回縮、錨具變形及墊板壓密和預應力鋼絞線應力松弛引起的預應力損失。錨固裝置采用厚鋼板制作，通過錨栓與梁體連接。體外橫向預應力加固橫斷面和平面布置分別如圖3、4所示。

3.2靜載試驗驗證結果

從橫向分布測試結果來看，與加固前狀態相比，在加載車橫向移動過程中，各輪位作用下梁體撓曲線更加趨于平緩，特別是對于4#～11#梁來說，如圖9所示，其橫向分布峰值降低較為明顯，說明張拉體外橫向預應力后，空心板梁橋的橫向聯系得到了增強。

從承載能力測試結果來看，與加固前狀態相比，各片梁的縱向應力和豎向撓度校驗系數均有所降低。例如，加固前2#、3#板縱向應力校驗系數分別為0474、0.452，加固后校驗系數分別為0.471、0354；加固前2#、3#板豎向撓度校驗系數分別為0.379、0.396，加固后校驗系數分別為0.338、0344。這表明舊橋梁間荷載傳遞更加均勻有效，結構橫向整體性有所加強。

從鉸縫擴展測試結果來看，加固前后舊橋板間鉸縫均出現一定的擴展，加固前鉸縫橫向應變最大測試值為469 με，加固后為324 με，加固后舊橋鉸縫擴展情況有較為明顯的改善。

荷載橫向分布，增強板間的橫向聯系，避免出現單板受力現象。張拉效果會受到鉸縫自身狀態差異性的影響，應力傳遞會在底板附近形成“壓力拱”現象，若對鉸縫下緣灌漿密實，縱縫改善效果會更加顯著。張拉體外橫向預應力對多片式板梁橫向整體性改善明顯，可作為類似橋梁維修加固的有益借鑒。

參考文獻：

[1]陳淮，張云娜，葛素娟.橫向體外預應力加固裝配式空心板橋的探討[J].鐵道科學與工程學報，2008，5（6）：2225.

[2]黃民元.體外預應力結構的受力性能研究[J].筑路機械與施工機械化，2009，26（6）：6466.

[3]梁全富.簡支空心板梁橋體外橫向預應力加固機理分析[J].福建建筑，2008（8）：107109.

[4]張柳煜，陳偕民，鄔曉光.臘芒大橋體外預應力加固分析與設計[J].筑路機械與施工機械化，2009，26（10）：5557.

[5]陳小英，李唐寧，黃音，等.CFRP體外預應力加固鋼筋混凝土T型梁試驗[J].中國公路學報，2010，23（2）：5663.

[責任編輯：王玉玲]endprint