某連續剛構橋體外預應力加固技術研究

◎ 張小剛　王　技　李王輝　交第一公路勘察設計研究院有限公司

某連續剛構橋體外預應力加固技術研究

◎ 張小剛王技李王輝交第一公路勘察設計研究院有限公司

預應力混凝土連續剛構橋常由于預應力損失等因素，導致下撓和梁體開裂，需采取主動加固方式才能徹底根治病害。體外預應力通常布置在受拉區混凝土截面外部，通過對體外預應力束進行張拉后產生的偏心彎矩來對梁體的應力狀態進行改善，從而提高主梁梁體剛度。本文以實際工程為例，對某連續剛構橋存在病害及原因進行分析，對大橋主、引橋體外預應力加固技術進行探討。

連續剛構橋 體外預應力 加固技術

1.工程概況

某橋梁于上世紀90年代建成通車，跨越黃土塬V型沖溝，跨徑組合為（2×25）+（60+2×100+60）+（2×25）m，主橋為預應力混凝土連續剛構。該橋定期檢查發現主橋箱梁腹板存在較多斜向裂縫，裂縫間距20～30cm；中跨跨中存在一定程度的下撓，主橋頂、底板存在縱向裂縫等病害。為了改善主梁受力，并抑制主橋中跨跨中下撓，確保運營安全，故對該橋進行加固處治，如圖1所示。

2.橋梁主要病害及成因分析

2.1主橋主跨跨中下撓

跨中下撓是大跨徑混凝土梁橋的常見病害，結合本橋實際情況分析病害產生原因如下：

（1）在荷載長期作用下產生混凝土徐變，對結構的內力分布和截面的應力分布會造成影響。

（2）如施工中預應力實際張拉力和預應力損失與設計相差較大，將導致梁體永存預應力減小。

（3）箱梁底板、腹板、頂板開裂等梁體病害及缺陷，導致梁體剛度削弱，加劇主梁下撓。

（4）隨著交通量的增大，重型、超重型車輛的增多，造成動荷載過大。

（5）為縮短工期，施工時會采用在混凝土中添加早強劑等措施，有可能在齡期沒達到設計要求就張拉預應力。過早加載會不僅使預應力的損失加大，而且使徐變撓度增大。

圖1　橋型布置圖

2.2主橋箱梁腹板斜向裂縫

腹板斜向裂縫與箱梁底板夾角30°～45°，夾角靠近支點側大，靠近跨中側變小，裂縫走向為跨中側高支點側低，裂縫形態與主拉應力裂縫特征相符；經核查圖紙，主橋箱梁腹板尺寸相對較小，豎向預應力采用高強精軋螺紋鋼筋，受精軋螺紋鋼錨固體系工藝局限及施工質量影響，豎向預應力一般難以達到設計要求，同時頂板縱向預應力鋼束未設置下彎，不能提供有效的預剪力，對主拉應力控制沒有起到有效的作用；綜合上述分析，判斷腹板斜向裂縫為腹板尺寸相對較小，豎向預應力損失較大，在超載車輛作用下導致主拉應力超限引起的受力裂縫。

2.3主橋箱梁頂板內側縱向裂縫

主橋箱梁頂板內側縱向裂縫大量集中分布于中跨合攏段、邊跨現澆段及附近塊段，分析認為由于梁段混凝土齡期差影響，中跨合攏段、邊跨現澆段附近頂板混凝土收縮受到先期澆筑的懸澆梁段混凝土約束而形成的混凝土早期收縮裂縫。

2.4引橋箱梁腹板、底板縱向裂縫

預制箱梁腹板縱向裂縫普遍出現在距離箱梁底面20cm左右位置，是腹板與底板混凝土分層澆筑面，容易產生收縮裂縫；此外裂縫走向與鋼絞線走向基本一致，波紋管施工定位不準，導致波紋管位置混凝土保護層偏薄，或混凝土齡期不足，在鋼絞線施工張拉過程中，局部應力過大而產生縱向裂縫，影響結構耐久性。

3.加固設計構思

為了提高大橋腹板抗剪能力，改善主梁結構受力狀態，加固設計構思如下：

（1）通過增設縱向體外預應力鋼束，使主跨跨中有一定的向上位移，抑制主梁下撓，同時抵消加固帶來的自重增加不利影響，并適當改善主梁應力狀態，提高承載能力。

（2）通過增大橋墩附近節段腹板截面，改善主梁腹板受力狀態，提高該段抗剪承載力及主橋剛度。

（3）通過腹板粘貼鋼板，提高其抗剪承載力，抑制裂縫開展。

4.加固設計要點

（1）主橋新增縱向體外預應力鋼束布設。本橋共4跨，分2個邊跨及2個中跨。因主橋中跨出現較大程度的下撓，且箱梁腹板出現大量斜向裂縫，裂縫寬度較寬，一定程度上削弱了主梁剛度。故針對主橋新增12束15-15的縱向體外預應力鋼束，預留6束15-15的預應力孔道，視后期運營過程中橋梁結構狀況可再行增補縱向預應力體外鋼束。

（2）主橋3、4跨布置的鋼束一端錨固在第3跨邊跨現澆段新增混凝土齒板處，另一端錨固于4號墩零號塊大樁號側新增齒板處，新增鋼束在第3跨由底板通過新增轉向塊上彎至3號墩墩頂上緣，新增鋼束在第4跨由頂板通過新增轉向塊下彎至跨中底板；主橋4、5跨布置的鋼束一端在3號墩0號塊邊跨側橫隔板處設置混凝土齒板，另一端錨固于5號墩零號塊大樁號側橫隔板處，新增鋼束在4、5跨由頂板通過新增轉向塊下彎至跨中底板；主橋5、6跨布置的鋼束一端錨固在第6跨邊跨現澆段新增混凝土齒板處，另一端錨固于4號墩零號塊小樁號側新增齒板處，新增鋼束在第6跨由底板通過新增轉向塊上彎至5號墩墩頂上緣，新增鋼束在第5跨由頂板通過新增轉向塊下彎至跨中底板。在3～5號墩橫隔板間左右邊腹板處增設鋼筋混凝土加勁肋板。預應力錨下張拉控制應力為0.55fpk=1023MPa，采用張拉力與引伸量雙控，以引伸量校核。

（3）本橋在跨中附近采用輕型鋼制轉向塊，以減小其自重帶來的不利影響。其它位置轉向塊及齒板采用C50自流平混凝土澆筑。體外預應力鋼束采用環氧噴涂鋼絞線體外束，錨具、錨墊板、錨下螺旋箍筋均采用其配套產品，錨下張拉控制應力為1023MPa。同時在自由段設置減振裝置，避免索體產生較大的振動。在體外束中跨合攏段位置布置磁通量傳感器，以便施工過程和后期運營過程中對鋼束應力進行監控和測量。

（4）為了提高腹板抗剪承載能力，改善主梁腹板結構受力狀態，對第3～6跨的1～7號節段腹板加厚15cm混凝土，并在第3～6跨的8～9號梁段粘貼斜向鋼板，在合攏段附近粘貼豎向鋼板。鋼板采用Q355NHC鋼，厚度8mm，寬度18cm，縱橋向每隔50cm凈距粘貼一道。

5.加固前后結構計算對比分析

采用通用有限元軟件對新增鋼轉向塊及混凝土齒板進行優化設計計算，計算滿足圣維南原理假定。計算結果如下：

（1）計算結果表明，鋼轉向塊在體外預應力鋼束徑向力作用下，鋼轉向塊的最大等效應力34.0MPa。本橋各轉向塊鋼材等效應力水平較低，均遠小于鋼材的設計強度，且轉向塊結構變形很小，說明轉向塊強度和剛度均滿足設計要求。

（2）新增齒板的最大主拉應力為3.72MPa，出現在箱梁新增齒板與頂板底面連接處，考慮普通鋼筋作用，結構受力能夠滿足規范要求。

6.結論

綜上所述，體外預應力施加有效降低了混凝土澆筑施工增大結構自重后在橋跨斷面產生的拉應力，增大了箱梁斷面壓應力儲備，抑制裂縫的產生及發展，提升結構承載力，保證橋梁結構性能，該橋梁工程加固后徐變系數調整，模擬濕度60%，縱向預應力損失20%，豎向預應力損失100%，開裂區域剛度折減15%，縱向預應力損失20%，取得了良好的加固效果。

［1］劉士林，許宏元，等.大跨徑混凝土梁橋體外預應力加固技術預應力技術［J］，2011（01）：15-20.

［2］牛宏.公路混凝土橋梁體外預應力加固設計與實踐［J］.預應力技術，2011（04）：18-27.

［3］謝峻，王國亮，鄭曉華.大跨徑預應力混凝土箱梁橋長期下撓問題的研究現狀［J］.公路交通，20071（01）：47-48.