大跨徑PC連續箱梁橋體外束加固設計

金慶利

（徐州市交通規劃設計研究院,江蘇 徐州 221006）

大跨徑PC連續箱梁橋體外束加固設計

金慶利

（徐州市交通規劃設計研究院,江蘇 徐州 221006）

徐州某京杭運河大橋主橋上部結構為變截面PC連續箱梁橋。由于橋梁周邊港口碼頭較多，車輛超載現象比較嚴重，在經過六年多的運營后，連續梁主跨跨中底板出現橫向裂縫和腹板斜向裂縫等病害，且裂縫呈不斷發展趨勢，需要采取加固措施。設計提出采用增設體外預應力束的方法進行加固，并對加固后的橋梁進行空間仿真分析。在加固并運營兩年之后，未再出現新的病害，說明本次加固有效地提高了老橋的承載能力、壓應力儲備及安全系數，效果良好，可為同類型橋梁加固提供參考。

PC連續箱梁;體外預應力;加固;空間應力分析

0 引言

近年來，我國橋梁建設發展迅速，完成了大批具有世界先進水平的橋梁工程。但大量橋梁建成的同時，由于材料老化、養護管理不到位、交通量猛增、嚴重超載等因素，致使許多老橋變成危橋，威脅著人們的生命財產安全。因此，研究性能優越的橋梁加固技術具有重要的現實意義。

體外預應力是設置在混凝土體外的預應力筋給混凝土施加的預應力[1]。體外預應力混凝土也稱無粘結預應力混凝土，是一種預應力筋直接設置在體外，或者預應力筋設置在混凝土體內，但無需進行孔道灌漿的無黏結預應力混凝土。它與預應力混凝土的區別在于預應力筋與混凝土的無粘結性。自20世紀80年代開始，無粘結預應力混凝土在我國房屋建筑中得到廣泛的應用，后來逐漸被應用于橋梁結構中。

采用體外預應力技術可在不影響使用的情況下調整體外預應力束的應力，甚至更換體外預應力束，從而延長使用壽命。該技術可保證結構的整體性，新舊體系協同工作良好，克服了其它加固方法加固材料的應力滯后問題。另外，體外預應力束布置靈活，可用于多種形式的橋梁結構[2]。近年來，體外預應力技術由于具有施工方便、經濟可靠、預應力筋(束)可以單獨防腐甚至可以更換等特點，已被廣泛應用于舊橋的加固工程中。眾多的工程實踐證明，利用體外預應力加固舊橋，能顯著提高結構承載力、撓度、裂縫寬度，有效改善結構的應力狀態。

1 工程背景

徐州某京杭運河大橋主橋上部結構為變截面PC連續箱梁橋，主橋跨徑為（62+100+62）m，主橋上部箱梁采用單箱單室，縱、橫、豎三向預應力體系。橋寬12.75 m，箱梁根部梁高5.8 m，跨中梁高2.5 m，箱梁頂板寬12.75 m，底板寬6 m，翼緣板懸臂長為3.375 m。由于橋梁周邊港口碼頭較多，車輛超載現象比較嚴重，橋梁通車運營六年后出現較多病害。通過對主橋進行橋梁靜動載試驗和檢測，發現跨中箱梁底板、腹板出現多條斜裂縫，且裂縫嚴重超限；結構混凝土破損露筋、箱內預應力齒板錨頭預應力筋外露、橫隔板斜向裂縫等；底板混凝土縱橫向裂縫的位置存在不同程度空鼓及崩裂現象，技術狀況等級為4類（嚴重）。靜載試驗結果表明，該橋結構整體剛度雖滿足要求，但承載力未達到設計荷載要求，需要盡快采取加固措施。

2 橋梁概況

2.1 原橋設計主要技術標準

（1）荷載等級：公路—I級；

（2）橋梁寬度：2×12.75 m；

（3）地震峰值加速度：0.1 g。

2.2 主橋結構概況

橋梁跨徑組成為6×30 m+（62+100+62）m+6×30 m，主橋為主跨（62+100+62）m變截面預應力混凝土連續箱梁，引橋為30 m裝配式部分預應力混凝土組合箱梁。主橋上部箱梁采用單箱單室，縱、橫、豎三向預應力體系。橋寬12.75 m，箱梁根部梁高5.8 m，跨中梁高2.5 m，箱梁頂板寬12.75 m，底板寬6 m，翼緣板懸臂長為3.375 m，箱梁高度按1.8次拋物線變化。箱梁頂板厚度為0.28 m，底板厚度從0.30 m至0.8 m按1.8次拋物線變化，腹板厚度根部0.8 m，跨中為0.5 m。如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 老橋橋型布置（單位:m）

圖2 主橋橫斷面（單位:cm）

圖3 橋梁現狀圖

3 橋梁主要病害

大橋周邊有較多重要港口碼頭，車輛超載現象嚴重。在經過六年多的運營后，主橋連續梁出現較多病害，且裂縫呈不斷發展趨勢。2014年3月，某公路檢測中心對主橋進行了橋梁靜動載試驗和檢測，發現跨中箱梁底板出現橫向裂縫，腹板出現多條斜裂縫，并且裂縫嚴重超限；結構混凝土部分破損露筋；箱內預應力齒板錨頭預應力筋外露；橫隔板出現斜向裂縫等；底板混凝土縱橫向裂縫的位置存在不同程度空鼓及崩裂現象，技術狀況等級為4類（嚴重）。如圖4、圖5所示。靜載試驗結果表明，該橋結構整體剛度雖滿足要求，但承載力并未達到設計荷載要求。

圖4 橋梁主要病害圖

圖5 主橋中跨跨中底板裂縫示意圖

4 橋梁加固設計

4.1 加固方案

本次維修加固裂縫處理原則如下:

（1）凡裂縫寬度≥0.15 mm者，做灌漿處理；在腹板粘貼鋼板，頂板粘貼碳纖維布。

（2）凡裂縫寬度＜0.15 mm者，做封閉處理。

針對裂縫的處理，本文重點介紹體外束加固設計情況。鑒于造成病害的原因之一就是多種因素導致的結構壓應力儲備不足，因此增設體外預應力是解決該病害問題的有效方法。如圖6所示，本方案兩側 62 m邊跨每箱各布置 6束 12-7Φ5環氧涂層鋼鉸線體外索，100 m中跨布置 8束12-7Φ5環氧涂層鋼鉸線體外索。體外束張拉控制應力力為 0.6 fpk,即187 tonf。

體外預應力利用7#墩、8#墩橫隔板，以及鋼結構支架作為鋼束體外預應力束轉向支點，在6#墩、9#墩底板厚度變化段部位設置錨固塊，并通過植筋與端橫梁連接。施工時需要對橫隔板進行鉆孔，鋼結構轉向支架的另一個作用是增加箱梁的抗扭剛度，相當于在轉向處增設了2道橫隔板。錨固座、轉向器及減震固定架均為鋼結構，錨固座與混凝土通過埋植錨栓與梁體連接為一個整體。

圖6 體外束平面布置圖

4.2 計算模型

如圖7、圖8和圖9所示。

圖7 平面桿系模型

圖8 空間模型中墩剖面圖

圖9 體外束布置示意圖

4.3 體外預應力加固效應分析

4.3.1 極限承載能力檢算

橋梁采用體外束加固后，提高了正截面抗彎承載能力與斜截面抗剪承載能力以及結構的安全系數。跨中正截面抗彎承載能力與支點附近的截面抗剪承載能力安全系數見表1。

表1 加固后跨中正截面強度安全系數

4.3.2 正常使用狀態計算

（1）正截面抗裂：能滿足全預應力構件要求，并較大地增加了邊跨與中跨底板壓應力儲備，加固后底板抗裂檢算結果見10圖。

圖10 加固后正截面下緣抗裂圖

（2）斜截面抗裂：在不考慮豎向預應力作用下，加固后斜截面主拉應力能滿足全預應力構件要求（見圖 11）。

圖11 加固后斜截面抗裂圖

最大壓應力：按照預應力不損失對截面最大壓應力進行檢算，截面最大壓應力為15.6 MPa，滿足規范要求。

4.3.3 空間仿真計算

橋梁經體外束加固后，增加了壓應力儲備，增大了原結構的安全系數，明顯改善了橋梁結構的應力狀態。

（1）體外束加固后箱梁下緣正應力如圖12所示。

圖12 加固后箱梁下緣正應力圖

（2）體外束加固后箱梁腹板內表面主拉應力如圖13所示。

通過以上空間應力分析，可以看出橋梁結構應力得到了較為明顯的改善。

4.4 體外預應力束施工

橋梁加固采用12-7Φ5環氧涂層鋼鉸線體外索，每幅短束四束（TWS3、TWS4、TWS5、TWS8）、通長束四束（TWS1、TWS2、TWS6、TWS7），預應力筋為空間曲線。左幅預應力張拉時分三級循環張拉，首先按順序全部張拉至15%，其次全部張拉至30%，再次全部張拉至70%，最后依次全部張拉至100%。右幅施工由于監控顯示預應力張拉梁體響應偏小，因此，右幅張拉調整方案為首先按順序全部張拉至15%，然后全部放張，接著全部張拉至30%，再全部張拉至70%，最后依次全部張拉至105%。體外束施工流程、張拉順序以及施工現場如圖14、圖15和圖16所示。

圖13 加固后箱梁腹板內表面主拉應力圖

圖14 體外束施工流程

圖15 體外束張拉順序

圖16 體外束現場施工圖

5 加固后靜動載試驗

5.1 加固后靜動載試驗概述

為了保證橋梁營運的安全，對橋梁進行荷載試驗檢測與評定是非常必要且符合國家有關規范的。通過荷載試驗檢測，對橋梁正常使用狀態的承載力進行檢驗，可建立和完善系統的橋梁技術檔案，為今后橋梁養護提供依據。

橋梁荷載試驗對橋梁結構物直接加載后進行相關測試、記錄與分析工作，包括試驗準備、理論計算、現場試驗、對試驗結果分析整理等一系列內容，以達到了解橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態，進而評定橋梁結構施工質量和使用狀況的目的。實橋荷載試驗是對橋梁正常使用性能進行評判時最直接和有效的方法和手段。測試橋梁在試驗荷載作用下的真實結構響應（如應變、撓度、裂縫），通過實測值和理論值的對比，分析橋跨結構的實際承載狀況，評價其在設計使用荷載下的工作性能。通過動力試驗測試橋跨結構的固有振動特性和車輛荷載作用下的受迫振動性能，分析和檢驗結構的動力性能。

目前對該橋的維修加固施工已完成，進而進行荷載試驗檢測，并與維修加固前荷載試驗數據對比分析，檢驗維修加固效果，確保橋梁后期使用的安全。

5.2 加固后靜動載試驗主要結論

（1）通過外觀檢查，未發現加固后橋梁梁體存在新生裂縫病害，原裂縫未有開展，加固后橋梁技術狀況評定為二類橋。

（2）在試驗荷載下，測試截面各控制點應力校驗系數小于1.0，多數測點應力校驗系數在0.8～1.0范圍內；且卸載后，各測試截面殘余應變均小于5%，小于規范限值20%。雖然各測點應力校驗系數小于1.0，但已接近常規范圍上限值，測試結果表明，結構強度能夠滿足設計荷載下正常使用的要求。

（3）在試驗荷載下，橋梁實測撓度校驗系數均小于1.0，且大多數撓度測點校驗系數在0.90～1.0范圍內，但已接近常規范圍上限值，卸載后殘余撓度小于5%，滿足規范小于20%的規定，測試結果表明，結構處于彈性工作狀態，結構剛度能夠滿足設計荷載下正常使用的要求。

（4）在試驗荷載下，跨中區域未發現新生橫向裂縫，結構正截面抗彎承載能力滿足使用要求，原有封閉的裂縫無發展，也并未產生新生裂縫。

（5）通過動載試驗，各試驗測點的振動響應波形光順，各測點間的響應協調；橋梁實測一階頻率1.5 Hz，略大于理論一階頻率1.024 Hz，實測二階頻率2.3 Hz，略大于理論一階頻率1.95 Hz，說明結構整體剛度基本較好。

（6）通過動載試驗，實測沖擊系數（1+μ）為1.023，理論計算沖擊系數（1+μ）為1.05，實測值稍小于理論計算值，行車狀況符合要求。

6 結語

（1）經檢算，老橋的各項技術指標均符合規范要求。但由于橋梁處于重載交通較多的地區，超載現象嚴重，大橋實際通行荷載遠大于設計荷載標準，導致橋梁在實際運營后不長的時間內出現了較多病害。因此，應加大對超載車輛的治理力度。

（2）體外預應力束布置靈活，可用于多種形式的橋梁結構。體外預應力技術由于具有施工方便、經濟可靠，預應力筋(束)可以單獨防腐，方便更換等特點，必將得到越來越廣泛的應用。

（3）本次橋梁加固采用體外預應力束的方式，在加固完成并實際運營兩年后，未再出現新的病害，說明本次加固方案有效地提高了原橋梁結構的承載能力、壓應力儲備以及安全系數，對于同類型橋梁加固具有較好的借鑒意義。

[1]黃僑.公路鋼筋混凝土簡支梁橋的體外預應力加固技術[M].北京：人民交通出版社,1998.

[2]宋文鋒.連續剛構橋體外預應力加固技術應用研究[D].重慶：重慶交通大學,2009.

U445.7+2

B

1009-7716（2017）12-0073-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.021

2017-8-10

金慶利（1976-），男，山東鄒城人，高級工程師，主要從事橋梁設計、科研和管理工作。