連續剛構橋體外預應力加固前后受力分析

孫全勝 高志洋

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

體外預應力結構的概念及方法產生于法國，由Eugene Freyssinet完成了體外預應力的首次應用[1]。體外預應力鋼束加固屬于主動加固的一種[2]，依靠后加預應力對結構施加反向力矩等[3]，進而抵消部分自重或外荷載產生的內力，不僅可以改善原結構的受力狀態，還能提高橋梁使用性能。體外預應力具有自重輕、施工工期短、預應力筋維護方便等優點[4,5]，使其在工程結構加固與改造中得到廣泛應用[6]。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

本研究橋梁為某連續剛構箱梁橋左幅橋，橋梁全長549.8 m，主橋全寬24.6 m,跨徑布置為75 m+3×130 m+75 m，橫向布置為：0.5 m(欄桿)+11.0 m(行車道)+0.5 m(欄桿),如圖1所示。上部采用5跨預應力混凝土連續剛構箱梁橋，主梁用單箱單室箱梁。下部結構為雙薄壁墩、肋板式橋臺，天然擴大基礎[7]。

1.2 主要病害

箱梁腹板斜裂縫共計58條，總長度共計8 662 cm，箱梁頂板縱向裂縫共約9條，總長度約為1 100 cm。裂縫明顯可知是由于主拉應力過大導致。橋梁跨中下撓，最大處達6 cm。

2 有限元模擬及計算分析

根據施工、設計雙方所確定的工序、基本參數[8]，利用空間有限元程序建立有限元模型[9]。各主要參數按如下采用:

1)恒載：橋面鋪裝采用65 kN/m；

2)自重：結構尺寸按圖紙確定，容重取25 kN/m3；

3)汽車活載：汽車荷載采用公路Ⅰ級進行計算分析;

4)預應力:預應力鋼筋遵從設計規范進行張拉力、摩阻系數等參數取值;

5)計算模型如圖2所示。

2.1 加固方案

1)體外預應力加固。

邊跨采用預應力鋼束，張拉控制應力為930 MPa，為標準強度的50%。配套采用體外預應力錨具，便于橋梁的維護。

體外束布置圖如圖3，圖4所示。

2)腹板加固。

將鋼板條粘貼在腹板兩側進行加固[10]，斜截面采用加固補強。對于主梁出現斜裂縫較嚴重部位，宜先進行灌縫處理。

3)底板加固。

先將底板混凝土鑿除，下方用鋼板封堵，鋼板與底板用錨固螺栓連接。對于主跨其他裂縫，宜先進行灌縫處理。

2.2 加固前后理論驗算

2.2.1主梁正截面壓應力驗算

主梁正應力計算結果見表1。

表1 加固前后各截面正應力變化表

由表1可知，加固后，主梁截面壓應力都有明顯提高，上緣壓應力最大提高3.55 MPa，下緣壓應力最大提高值分別為2.54 MPa，3.11 MPa，3.85 MPa，綜上，體外預應力鋼束加固可改良主梁受力情況，提升主梁的壓應力儲備，效果顯著。

2.2.2主梁斜截面主壓及主拉應力驗算

斜截面主壓及主拉應力計算結果見表2。

表2 加固前后各斜截面應力變化表

由表2可知，加固后各截面主壓應力均增大，增大最大值為3.10 MPa，最大主拉應力均有降低，降低最大處值為2.31 MPa，加固后主梁的主拉應力最大值為1.08 MPa，說明體外預應力加固后主梁斜截面的受力狀況明顯改善，符合設計要求。

2.2.3加固前后主梁撓度驗算

主梁各截面撓度值見表3。由表3可知，加固后主梁整體剛度提高，各控制截面的撓度均有改善，改變最大處為各跨的跨中撓度相對上拱值依次為9.52 mm,19.24 mm,16.56 mm。

表3 主梁撓度變化表 mm

3 結論

1)以上驗算結果表明，該橋加固實測效應和理論計算值較為吻合[7]，且變化值在合理范圍內，符合加固設計以及規范的要求，主梁受力情況始終處于安全可控狀態。

2)由體外預應力鋼束加固受力分析可知，體外預應力鋼束加固不僅提高了主梁正截面上、下緣壓應力、斜截面主壓、主拉應力儲備，也提高了結構的剛度，改善了結構受力狀態。同時對剛構橋繼續下撓起到了一定的抑制作用。由此可知該橋采用體外預應力加固是積極有效的加固方法[11]，也為以后相似的工程提供了借鑒作用。