箱梁腹板增大截面體內預應力加固技術實例分析

曾賢斌

（中交三航局湖南分公司，湖南 湘潭 411100）

0 引言

為了保證橋梁在未到設計年限階段的安全運營，通過定期橋梁檢測，發現我國諸多舊橋中，下部結構完好，上部結構出現裂縫，對交通安全造成極大隱患。相比起重建新橋，通過對舊橋的維修加固將大大節約成本，又可以消除交通安全隱患，因此橋梁加固技術的研究必將推動橋梁建設和交通運輸事業的發展，其中如何對橋梁上部結構進行加固顯得尤為重要[1]。

橋梁加固設計實踐經驗很重要，不僅要認真進行現場考察，還要根據以往經驗對不同橋梁進行加固方法分析，最終選擇最為合理的加固方案。常見的提高橋梁承載力和剛度的加固方法有粘貼鋼板加固、體外預應力加固、增大構件尺寸加固等，而增大構件尺寸后進行體內預應力加固的方法在加固設計中較少采用。本文通過30 m簡支箱梁橋為例，對該方法進行設計計算分析和施工介紹，為廣大橋梁養護加固設計人員提供參考。

1 工程概況

某橋梁為三跨30×4=120 m等截面簡支箱梁橋，橋面寬15.5 m，橋梁設計荷載等級為公路-Ⅰ級。該橋上部結構采用C50混凝土，梁高1.6 m，橫向布置5片小箱梁。下部結構為圓柱式橋墩樁基礎，支座為板式橡膠支座及四氟滑板橡膠支座。橋面為10 cm瀝青混凝土橋面和10 cm厚的C40橋面調平層。橋梁橫斷面見圖1。

圖1 橋的橫截面（單位：mm）

1.1 橋梁現狀及病害

通過定期橋梁檢測，發現該橋上部結構跨中處存在大量橫向裂縫，裂縫寬度多在0.15～0.3 mm之間，同時腹板處多處出現斜向裂縫，少量與底板形成貫通的U形裂縫。裂縫典型病害示意見圖2、圖3。

通過橋梁靜載試驗，發現該橋的跨中截面抗彎承載能力檢算和支點截面抗剪承載能力檢算已不滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）中有關要求，跨中截面抗彎承載能力檢算見表1，支點截面抗剪承載能力檢算見表2。

圖2 腹板斜向裂縫

圖3 箱梁底的橫向裂縫

表1 第一跨箱梁跨中截面抗彎承載能力檢算 kN·m

表2 1#臺支點截面抗剪承載能力檢算 kN

1.2 病害成因分析

根據現場勘察和橋檢報告，加固前對舊橋進行病害成因詳細分析，發現主要原因有以下幾個方面：

（1）設計原因。通過對比該橋竣工設計圖紙和小箱梁通用圖紙，發現該橋預應力鋼束過早起彎，上部鋼束起彎點比通用圖紙中起彎點偏早，而且在預應力鋼束數量上比通用圖紙中少2束[2]。

（2）該橋所在路段處于繞城高速，重型貨車日流通量相比設計時增多，超載貨車夜間通行等問題突出，加劇了裂縫的產生。

（3）施工時不注意橫隔板振搗養護，橫隔板處在運營過程中開裂，造成梁片單梁受力。

2 加固方法對比分析

經過現場實地勘察，該橋所處山區地勢，長期有霧氣環繞，如果單純采取體外預應力加固，鋼束長期暴露在霧氣中，使用壽命將大為縮短，而且需要加大對鋼束的檢查，都將造成后期養護成本提高；而單純采用增大截面尺寸，將造成原梁尺寸過大，又加重梁體自身重量和下部結構的負擔，不夠經濟與美觀；粘貼鋼板加固方法與體外預應力一樣，暴露于霧氣中的鋼板會加速腐蝕，存在后期養護成本過高等問題。

采用增大截面加體內預應力加固方法對該橋進行加固，不僅解決了腹板斜裂縫的問題，而且體內預應力在外包混凝土的保護下又可長期有效，該加固方法在特殊環境下有著顯著的優勢。經過以上比較分析，采用增大截面加體內預應力加固方法對該橋進行加固。

3 采用增大截面加體內預應力加固方法計算分析

3.1 結構加固具體方法

在箱梁的腹板兩側植筋，增大截面尺寸，放好鋼束的定位鋼筋，澆筑15 cm厚C50混凝土，在腹板兩側增設齒板，通過齒板和定位鋼筋設置通長4束5?s15.2鋼束，并張拉預應力。由于腹板增厚必將導致梁體重量的增加，根據原支座的承載能力，視具體情況決定是否需要更換支座。加固設計見圖 4、圖 5。

圖4 箱梁加固設計圖（單位：mm）

3.2 加固計算分析

本橋根據實際情況，不僅要消除交通安全隱患，還要在原有基礎上提高原梁跨中承載力，提高后的跨中截面彎矩組合設計值為14 041 kN·m。本文通過加固后箱型梁受力分析和加固前進行對比，參考公路橋梁加固設計規范[3]中體外預應力加固和增大截面加固公式，具體情況具體分析，給廣大設計者提供參考。

圖5 箱梁加固橫斷面設計圖（單位：mm）

加固設計計算：

通過查閱工程竣工圖紙和有關資料得到基礎數據：體外預應力鋼絞線抗拉強度標準值fpd，e=1260MPa，彈性模量Ep，e=1.95×105MPa，計算跨體外鋼絞線有效長度le=30 951 mm，體內預應力鋼絞線截面面積Ap，e=139×4×5=2 780 mm2。縱向普通受拉鋼筋As=3 563 mm2。

（1）體外預應力筋的極限應力σpu，e

式中：hp，e為體外預應力筋合力作用點到截面頂面的距離。

hp，e體外預應力筋的極限應力 σpu，e公式為

式中：fcu，k為混凝土立方體抗壓強度標準值，50 MPa；b為箱梁腹板寬度；β為混凝土受壓區高度折減系數，取0.8；σpe，e為預應力鋼束的永存預應力，取1212MPa；γp為預應力鋼材的安全系數，取2.2。

經過上式計算，體外預應力筋的極限應力為1217 MPa（＜1 260 MPa)。

（2）正截面抗彎承載力計算

預應力筋和普通鋼筋的合力作用點到梁頂面的距離分別為hs=h-a=1 393 mm。由

得截面受壓區高度x=289 mm＜ξbhs=552 mm，且屬于第二類T形截面。（公式中符號意義詳見加固設計規范。）加固后梁的抗彎承載力為：

計算結果表明，加固后跨中正截面抗彎承載力滿足要求。

4 施工注意事項及加固后效果跟蹤

4.1 施工注意事項

（1）為保證新舊混凝土良好結合，原混凝土的表面應鑿成凹凸差不小于6 mm的粗糙面，植入的鋼筋嚴格按照加固規范的要求[4]。

（2）由于增大截面施工的作業空間較小，本工程采用滿堂吊架進行施工，施工過程采用自錨固體系的鋼模板，澆筑混凝土時在橋面上標注翼緣板位置，在標注處開孔澆筑自密實混凝土，振搗采用附著式振搗器，確保混凝土澆筑的質量[5]。

（3）橋梁加固前應對箱梁底原有的裂縫進行修補；橋梁加固施工期間，需要對橋梁進行施工監控，保證應力和撓度符合設計要求[6,7]。

（4）嚴格控制混凝土拌合時的含氣量以及模板的溫度，防止脫模時混凝土表面出現氣泡，麻面等問題影響橋梁的外觀。在施工振搗時，應注意觀察，是否有漏漿和振搗不到位的現象發生。

（5）預應力筋孔道要嚴格按照設計經行布置，定位鋼筋與設計鋼筋有沖突的地方，應適當移動普通鋼筋間距，確保孔道位置按設計要求布置。體內預應力筋張拉完畢后，孔道需要盡早壓漿，禁止邊加原料，邊攪拌，邊壓漿。水泥漿強度不小于50 MPa，要求壓漿飽滿。

（6）張拉預應力鋼束應嚴格按照設計要求，提高混凝土養護齡期，不得在箱梁混凝土強度和彈性模量還未達到設計值和齡期未到設計要求時就張拉預應力筋。

4.2 加固效果跟蹤

加固施工完成之后，通過竣工驗收，并在后續3 a內對橋梁進行定期的橋梁檢測。結果表明，本次加固起到了比較明顯的效果：（1）后續橋梁外觀檢測中，梁底并未發現新增裂縫，腹板未出現裂縫，下部結構并未因上部結構橋梁重量增加而出現新的病害。（2）加固后橋梁整體剛度得到明顯改善，當重車經過時，人在橋上振感明顯減小。（3）通過控制施工中澆筑混凝土的質量和采用鋼模板，箱梁腹板的外觀得到明顯的改善。

5 結 語

通過簡支箱梁為例，對箱梁腹板增大截面體內預應力加固技術進行較為詳細的加固設計分析，通過計算受力分析給廣大加固設計者作為一個參考。再經過后續的跟蹤，結果表明本方法結合了增大截面和體外預應力加固方案兩者的優點，解決了增大截面加固方法在提高梁體承載力的同時過度加重上部結構自身重量、影響橋下凈空的缺點，以及體外預應力加固方法中預應力鋼筋無混凝土保護、易受外界條件腐蝕失效和在極限狀態下可能因延性不足產生沒有預兆的失效的后果。

箱梁腹板增大截面體內預應力加固技術加固后外形得到較大的改善，整體結構承載力、剛度以及耐久性也得到很大程度的提高，該方法具有廣闊的前景和重要的推廣意義。