預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩加固橋梁效果分析

康 瑾 陳順超 董春彥 鄭維龍

（西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

0 引言

隨著橋梁在役年限的增長(zhǎng)，加之日常使用過(guò)程中受到日曬雨淋、熱脹冷縮等外在環(huán)境因素影響以及超載車(chē)輛的反復(fù)碾壓，橋梁的病害越來(lái)越多，橋梁的安全耐久使用性越來(lái)越低，導(dǎo)致最近這幾年發(fā)生了許多橋梁安全問(wèn)題，給人們的生活生產(chǎn)帶來(lái)了很多不利影響和損失。而針對(duì)這些橋梁，對(duì)其全部翻新不符合經(jīng)濟(jì)科學(xué)的要求，為了極大地提高舊橋的承載能力，迫使舊橋維修加固成為熱點(diǎn)話題，舊橋加固研究、交工質(zhì)量評(píng)價(jià)以及加固效果評(píng)價(jià)正日益受到重視。而對(duì)于其加固后的交工質(zhì)量以及加固效果評(píng)價(jià)也是目前亟待解決的一大難題。

對(duì)于橋梁加固，當(dāng)下很少有加固方法能在幾乎不加大結(jié)構(gòu)自重、不減少橋下凈空的前提下，既能明顯提高結(jié)構(gòu)的剛度和最大承載力，又能很好地利用所加固材料，并且不發(fā)生黏結(jié)破壞，且加固后的構(gòu)件依然有很好的延性。聚合物砂漿預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固技術(shù)可更好地改善當(dāng)下加固措施中面臨的主要困境，達(dá)到加固目的［1］。

1 工程概況

K82+239水庫(kù)4#橋位于該線K82+239處，于2012年4月建成通車(chē)。橋梁全長(zhǎng)216.4 m，橋梁寬度為10 m，行車(chē)道寬度為9 m，上部結(jié)構(gòu)為7 m×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，分為4 m×30 m+3 m×30 m共兩聯(lián)；下部結(jié)構(gòu)為圓形雙柱墩，輕型橋臺(tái)。

2 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩加固

2.1 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩加固原理

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩［2-3］加固技術(shù)主要通過(guò)主動(dòng)對(duì)梁體施加預(yù)應(yīng)力，為結(jié)構(gòu)提供主動(dòng)的應(yīng)力，而且是梁體出現(xiàn)裂縫后進(jìn)行的主動(dòng)加固技術(shù)，同時(shí)起到了對(duì)裂縫封閉的作用。采用此方法加固橋梁，能夠有效地規(guī)避其他加固方法存在的缺點(diǎn)，基本上不增加梁體的自重，占用橋下空間小，并能明顯提高梁體的剛度和最大承載力。同時(shí)加固材料能夠很好地被利用，而且不發(fā)生黏結(jié)破壞，工藝簡(jiǎn)單并且施工方便，經(jīng)濟(jì)效益高，是一種優(yōu)良的抗彎加固手段。與傳統(tǒng)的被動(dòng)加固模式相比，預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固技術(shù)的加固思路是利用鋼絲繩體良好的抗拉性能，對(duì)結(jié)構(gòu)提供預(yù)應(yīng)力實(shí)施主動(dòng)加固，待鋼絲繩張拉到位后，在鋼絲繩外側(cè)涂抹或澆筑聚合物砂漿［4-5］，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行防護(hù)。

采用小直徑的高強(qiáng)鋼絲繩施加預(yù)應(yīng)力，并將預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩與混凝土原結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)存在的受力鋼筋（或者預(yù)埋的化學(xué)螺栓）在構(gòu)件兩端錨固成為一個(gè)整體，此時(shí)梁底纖維與鋼絲繩共同作用，從而加強(qiáng)梁整體的抗彎性能［6-8］。

2.2 撓度計(jì)算方法

可依據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁撓度計(jì)算方法，預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固橋梁的撓度主要由3部分組成［9］：荷載作用產(chǎn)生的撓度f(wàn)2，mm；預(yù)應(yīng)力引起的上拱撓度f(wàn)1，mm；預(yù)應(yīng)力損失引起的撓度f(wàn)s，mm；目前，預(yù)應(yīng)力損失通常只考慮張拉和放張過(guò)程對(duì)梁的反拱作用，即式（1）。

2.2.1 開(kāi)裂后截面剛度。開(kāi)裂截面的換算為截面慣性矩Icr，如式（2）。

開(kāi)裂截面剛度Bcr如式（3）。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固梁撓度。預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的撓度f(wàn)1如式（4）。

式中：Np為鋼絲繩的有效預(yù)應(yīng)力，MPa；ep為鋼絲繩有效預(yù)應(yīng)力的偏心距，mm；l0為預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的計(jì)算跨徑，mm。

荷載產(chǎn)生的撓度f(wàn)2如式（5）。

式中：S為與荷載種類(lèi)和支撐種類(lèi)有關(guān)的撓度系數(shù)；M為使用彎矩值，N·mm；l為受彎梁的計(jì)算跨徑，mm。

3 加固前后靜載試驗(yàn)對(duì)比分析

為檢驗(yàn)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩的實(shí)際加固效果，該橋加固完成后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測(cè)量試驗(yàn)荷載作用下主梁撓度。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與加固前荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)同理論計(jì)算值對(duì)比，檢驗(yàn)該橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)，分析結(jié)構(gòu)受力的改善效果。

3.1 荷載工況及加載方案

橋梁靜載試驗(yàn)工況及測(cè)試截面遵循構(gòu)件最不利受力原則進(jìn)行確定。實(shí)際加載按各測(cè)試截面的最不利效應(yīng)進(jìn)行布載，同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)加載條件，本次試驗(yàn)包括4種試驗(yàn)荷載工況，具體如圖1所示。

圖1 靜載試驗(yàn)測(cè)試截面示意圖（單位：m）

工況一：順橋向JM1截面最大正彎矩，橫橋向?yàn)槠d布置。

工況二：順橋向JM1截面最大正彎矩，橫橋向?yàn)橹休d布置。

工況三：順橋向JM2截面最大正彎矩，橫橋向?yàn)槠d布置。

工況四：順橋向JM2截面最大正彎矩，橫橋向?yàn)橹休d布置。

3.1.1 撓度測(cè)點(diǎn)布置。測(cè)試截面上撓度測(cè)點(diǎn)布置于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁底部，測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，采用在T梁底部懸掛重物的方法，將T梁底部接觸位置引至地面，然后采用百分表測(cè)試；當(dāng)橋下測(cè)試有困難時(shí)，也可將測(cè)點(diǎn)布置于橋面，采用精密水準(zhǔn)儀的優(yōu)勢(shì)對(duì)撓度值進(jìn)行測(cè)量。具體的撓度測(cè)點(diǎn)布置如下：JM1、JM2截面，每個(gè)截面橫向布置4個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，具體如圖2所示。

圖2 靜載試驗(yàn)撓度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.1.2 加載方案。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施實(shí)橋加載時(shí)，靜載加載位置采用防撞護(hù)墻內(nèi)邊緣作為參考邊從左往右進(jìn)行加載位置的確定，偏載最左側(cè)車(chē)左后輪兩輪中間距左側(cè)防撞護(hù)墻50 cm，隨后按車(chē)兩輪間距180 cm以及兩車(chē)最小間距130 cm布置第二排車(chē)；中載最左側(cè)車(chē)左后輪兩輪中間距左側(cè)防撞護(hù)墻205 cm，隨后布置同偏載方法，詳細(xì)布置圖如圖3、圖4所示。

圖3 所有偏載工況荷載橫向示意圖（單位：cm）

圖4 所有中載工況荷載橫向示意圖（單位：cm）

通過(guò)軟件模擬對(duì)模型采用原公路-Ⅱ級(jí)計(jì)算，得到各工況的荷載試驗(yàn)效率如表1所示。

表1 橋梁荷載試驗(yàn)效率一覽表

根據(jù)表1所示，在加載車(chē)的加載下各個(gè)靜載工況試驗(yàn)效率處于0.95～1.02之間，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG-T J21-01—2015）在用橋梁荷載試驗(yàn)效率0.95～1.05的要求，可對(duì)實(shí)橋進(jìn)行各工況加載。

3.2 加固前后靜載試驗(yàn)對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)橋梁加固前后進(jìn)行荷載試驗(yàn)得到各個(gè)工況理論與實(shí)測(cè)數(shù)值的對(duì)比如表2、表3所示。

由表2、表3可知，在靜荷載作用下，加固前工況一～工況四中最大實(shí)測(cè)撓度為10.78 mm，撓度殘余度最大值為5.84%，撓度校驗(yàn)系數(shù)范圍在0.97～1.45內(nèi)，表明加固前該橋已不滿足使用要求。采用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固后工況一～工況四中最大實(shí)測(cè)撓度為5.42 mm，撓度殘余度最大值為5.76%，撓度校驗(yàn)系數(shù)范圍在0.49～0.73內(nèi)，加固后校驗(yàn)系數(shù)變小，說(shuō)明該橋的安全儲(chǔ)備增大，結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)能力增加，橋梁橋跨結(jié)構(gòu)整體工作性能正常。

表2 JM1截面各工況橋梁加固前后撓度對(duì)比（M+max）

表3 JM2截面各工況橋梁加固前后撓度對(duì)比（M+max）

由表4可知，在靜荷載作用下，預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固后JM1與JM2各個(gè)工況平均撓度降低幅度介于-49.94%～-47.56%，平均為-48.54%，各工況下最大撓度降低幅度介于-51.01%～-43.54%。

表4 各工況橋梁加固前后撓度對(duì)比（M+max）

4 結(jié)論

①預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固后工況一～工況四平均撓度降低幅度介于-49.94%～-47.56%，平均為-48.54%，各工況下最大撓度降低幅度介于-51.01%～-43.54%；各測(cè)點(diǎn)殘余撓度均呈現(xiàn)一定幅度的降低，說(shuō)明加固后抗彎承載能力明顯提高，達(dá)到橋梁的預(yù)期加固效果。

②綜合上述改善情況，說(shuō)明在采用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固之后，橋梁的強(qiáng)度和剛度均得到較明顯改善，承載能力得到提高，采用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固橋梁能夠達(dá)到加固效果，采用荷載試驗(yàn)對(duì)其加固效果評(píng)價(jià)是可行的。