預應力混凝土空心板橋套箍鑲嵌補強加固分析

■樊秀生

（山西省公路局太原分局，太原 030012）

隨著運營時間的增長，很多公路橋梁結構相繼出現了一些病害，對安全運行產生了不同程度的影響。 輕微的破損基本不會對橋梁運行造成影響，而主體結構的破損會直接影響橋梁的運行安全。 很多橋梁在經過多年的運營使用后，經歷了多次養護維修；而部分橋梁由于早期設計標準不高、主體結構損壞等原因[1]出現承載能力不足的問題，已不能滿足當前交通運輸的要求，亟需進行技術改造，對橋梁主體結構進行補強加固。 因此，本文以某大橋補強加固改造為研究背景，通過現場調查查明預制空心板存在的病害問題及成因，并針對病害采用套箍鑲嵌技術進行預應力空心板加固，加固后對橋梁承載能力進行數值計算，確定補強加固效果。

1 橋梁病害調查分析

1.1 工程簡介

某高速公路設計采用雙向四車道，整體式路基寬度為26 m，分離式路基寬度為13 m，設計車速100 km/h。 1# 大橋設計長度為326 m，橋面寬度為24.5 m，橋梁上部結構采用C50 預應力鋼筋混凝土空心板。 橋跨組合為3×20 m+3×20 m+3×40 m+4×20 m，采用先簡支后連續設計，共4 聯。 橋梁下部結構采用雙柱式墩、肋板式臺，樁基礎采用鉆孔灌注樁基礎。

1.2 橋梁病害及成因

通過現場調查，發現部分預制空心板受力筋位置不對，處于箍筋外，導致連續端負彎矩受力筋與混凝土之間的握裹力大幅下降。 全橋共計144 片預制空心板，調查發現有65 片存在以上問題，其中預制板單端存在問題的有34 片， 兩端均存在問題的有31 片。

分析上述問題產生的原因主要是由于項目所選用的錨墊板尺寸偏大、鋼筋綁扎不規范等導致負彎矩受力筋與錨墊板位置產生相互干涉，造成鋼筋位置變化，與設計不符。 按照設計圖紙，負彎矩鋼筋應位于箍筋內側，由于負彎矩受力筋與錨墊板位置之間的干涉造成約一半的鋼筋放在了箍筋外側，導致鋼筋與混凝土握裹力下降。

為確定空心板連續端負彎矩受力筋的握裹力大小， 隨機抽取3 塊預制空心板開展抗拔試驗，分別對內側負彎矩鋼筋、外側負彎矩鋼筋的握裹力進行檢測。 根據檢測報告，得出在設計抗拔力達到80 kN時，外側負彎矩鋼筋沒有出現變形，混凝土沒有產生裂縫，但內側負彎矩鋼筋周圍的混凝土出現了明顯的開裂現象。 再加上施工擾動也會使彎矩受力筋的握裹力產生損失，因此必須對預制空心板進行補強加固，以保證連續端具有足夠的強度和耐久性。

2 預應力混凝土空心板加固方案

2.1 加固方案

根據上述調查和試驗結果，預應力混凝土空心板加固方案應從提高彎矩、控制開裂入手，結合預制空心板構造特點，擬采用套箍鑲嵌技術進行補強加固。 雖然采用預應力加固方法也可以滿足要求，但考慮到其施工工序復雜、體外預應力筋防腐難度大、施工人員的技術水平不高和后期養護成本高等因素[2-3]，沒有采用。 加固方案如下：（1）將現澆混凝土延伸到預制空心板空腔內部，一直延伸到內部膨大部分， 穿過平緩段并沿縱向延伸長度不少于30 cm，形成一個“楔形”的套箍鑲嵌體，以提高預制空心板的抗彎強度， 套箍鑲嵌體構造如圖1 所示，鋼筋構造如圖2 所示。 （2）用“楔形”套箍鑲嵌體與兩側腹板將現澆連續段和板端固定牢固，進而提高連續端的抗彎強度。 同時，“楔形”套箍鑲嵌體還可以提高預制空心板內壁鋼筋保護層的厚度，進而提升混凝土與受力主筋的握裹力，可有效防止內側負彎矩鋼筋受力變形，也可以起到提供安全儲備的作用。 另外，為防止“楔形”混凝土造成預制空心板頂板出現“翹頂”現象[4]，在空心板空腔頂貼1 層厚度為1 cm 的塑料泡沫。

圖1 “楔形”套箍鑲嵌體構造

圖2 楔形體的鋼筋構造圖

2.2 套箍鑲嵌體所能提供的彎矩計算

“楔形” 套箍鑲嵌體可以提高預制空心板連續段的彎矩，而彎矩的大小與受力面積與力臂的長短有關，利用橋梁博士V4 軟件對“楔形”套箍鑲嵌體可提供的最大彎矩進行計算，其有效受力區與應力按圖3 計算。

圖3 “楔形”套箍鑲嵌體有效受力區和應力示意圖

在考慮混凝土養護過程中收縮變形和空腔頂貼膜影響的情況下， 豎向受壓高度按65 cm 考慮。按照設計圖紙中的相關數據，主梁采用C50 混凝土，其受壓設計強度22.6 MPa，“楔形”套箍鑲嵌體所能提供的最大彎矩：Mmax=（22.6+0）×106/2×0.3×0.65×（0.65×2/3）×2×0.85=1622 kN·m。根據加固前計算結果，20 m 預制空心板單側支點所能提供的彎矩為580 kN·m 左右， 按公路-I 級荷載要求彎矩應不少于970 kN·m。 因此，采用“楔形”套箍鑲嵌體加固后預制空心板兩側支點的彎矩滿足設計要求，且具有較高的安全儲備。

2.3 結構補強補充設計

預制空心板在采用“楔形”套箍鑲嵌體加固后，經試算結構抗剪力滿足設計要求， 但裂縫寬度0.24 mm 超過了設計要求（0.2 mm），說明墩頂結構的彎矩不滿足設計要求。 因此，在墩頂3 m 范圍內施加預應力筋，其中中板2 排，邊板3 排，預應力筋平面布置如圖4 所示。 預應力筋選用Φ32 mm 冷拉IV 級精軋螺紋鋼筋，預應力筋張拉力為160 kN，可起到抑制預制空心板開裂的作用。

圖4 預應力筋平面布置示意圖

3 套箍鑲嵌體加固后數值計算

3.1 承載能力極限狀態分析

按照極限荷載組合，對預制空心板現澆連續段各單元受力狀態進行計算，以13、14 號節點為研究對象， 利用橋梁博士V4 軟件得出的計算結果如表1所示。 可知，采用套箍鑲嵌體加固后預制空心板抗彎強度和抗剪強度均滿足設計要求。

表1 預制空心板現澆連續段各單元受力狀態計算結果

3.2 正常使用極限狀態分析

本橋梁驗算按A 類預應力構件標準[5]對預制空心板裂縫寬度進行計算，補強加固后在持久狀況下極限狀態進行計算。 以13、14 號節點為例，采用橋梁博士V4 軟件計算現澆連續段裂縫寬度， 計算結果如表2 所示，使用階段彎矩包絡圖和上下緣應力圖如圖5、6 所示。

表2 預制空心板補強加固后現澆連續段裂縫寬度計算結果

圖5 預制空心板補強加固后使用階段彎矩包絡圖

圖6 預制空心板補強加固后上下緣應力圖

通過分析計算結果，補強加固后預制空心板裂縫寬度均小于0.20 mm，滿足設計要求。空心板現澆連續段抗彎強度明顯提升， 上下緣應力明顯改善，均滿足設計要求。

4 結語

以預制空心板橋梁加固為研究對象，通過現場調查確定橋梁空心板存在的問題和成因，對比分析后選擇套箍鑲嵌對空心板進行補強加固，并在加固后利用橋梁博士軟件進行模擬計算，分析得出以下結論：（1）在承載能力極限狀態，利用軟件對補強加固后空心板節點負彎矩計算結果為1622 kN·m，滿足JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中不小于970 kN·m 的要求，說明采用套箍鑲嵌補強加固后彎矩得到了有效提升；（2）在正常使用極限狀態下，補強加固后預制空心板現澆連續段上緣和下緣裂縫寬度計算結果均小于0.20 mm，滿足上述橋梁規范要求。 綜上所述，預制空心板采用套箍鑲嵌加固后，彎矩不足和裂縫寬度過大等問題得到了有效解決，補強加固后預制空心板現澆連續段抗彎、 抗剪能力均得到了明顯提升，且具有較高的安全儲備。