后增鋼桁架體外預應力加固新方法應用研究

杜鑫 閆佳磊 陳佩 張波

摘 要：為了解決混凝土梁式橋在服役期間出現(xiàn)承載能力和整體性能下降的問題，以大廣高速公路隴海鐵路立交橋的加固實例為背景，介紹了一種新型后增鋼桁架體外預應力橋梁加固方法。實踐證明：該加固方案能顯著提高舊橋的承載能力和抗裂性能。此外，該工法便于施工、可操作性強，適用范圍廣，能為同類加固工程提供有益借鑒。

關鍵詞：混凝土梁式橋;加固技術;體外預應力;鋼桁架;承載能力

中圖分類號：U445.7+2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）29-0103-04

Abstract： In order to solve the problem that the bearing capacity and overall performance of concrete girder bridges decrease during service， a new reinforcement method of external prestressing bridge with Post-reinforced steel truss was introduced based on the reinforcement example of Longhai Railway Overpass on Daguang Expressway. Practice had proved that the reinforcement scheme could significantly improve the bearing capacity and crack resistance of the old bridge. In addition， this method is easy to construct， easy to operate and has a wide range of applications， which can provide useful reference for similar reinforcement projects.

Keywords： concrete beam bridge;reinforcement technology;external prestressed;steel truss;carrying capacity

近年來，社會經(jīng)濟對交通基礎設施的承載能力和耐久性能要求越來越高，按照以前荷載規(guī)范設計的既有橋梁不可避免會出現(xiàn)超載受力的工況[1]，長期服役將出現(xiàn)受力性能惡化，整體剛度和承載能力下降，甚至出現(xiàn)危及橋梁使用安全的嚴重病害。此外，這類橋梁大多具有在役年限短、保有數(shù)量大的特點[2]，拆除重建經(jīng)濟成本高，同時影響既有交通運行，處理這類問題的合理措施是檢測評定后進行加固設計，因此研究橋梁檢測加固新技術具有重要價值。

目前，為了提高既有橋梁的承載能力，常采用體外預應力技術對其進行加固。常用的體外預應力加固技術包括體外預應力鋼絲束加固法和下?lián)问筋A應力拉桿（粗鋼筋）加固法[3，4]。但是，其加固前均需清鑿混凝土保護層，對梁體有一定程度的損壞。若橋梁病害表現(xiàn)為橫向聯(lián)系不足，可采用橫隔板加固方法來提高橋梁的橫向聯(lián)系剛度。目前，橫隔板加固方式有增設橫隔板、設置橫向預應力構件、加大橫隔板的尺寸、粘錨鋼板等。設置橫向預應力構件的施工工藝較復雜，且施工難度較大，對原結構的損傷也較大。加大橫隔板尺寸與增設橫隔板的方式相比，前者可以在加大橫隔板尺寸的同時修復原橫隔板的病害，后者則需要另進行煩瑣的修復原橫隔板的工作。粘貼鋼板法適合于病害輕微或未出現(xiàn)明顯病害的橫隔板補強[5，6]。以上加固方法均有不足之處。因此，本文提出后增鋼桁架體外預應力加固新方法。該方法可以極大提高在役病害橋梁的承載能力和耐久性能，同時此方法便于施工，可操作性強，適用范圍廣。

1 工程概況

1.1 工程背景

大廣高速公路隴海鐵路立交橋全長767.774m，6聯(lián)34跨裝配式預應力混凝土連續(xù)梁橋，部分預應力混凝土A類構件，具體跨徑組合：6×20m+7×20m+4×40m+6×20m+6×20m+5×20m。單幅橋面凈寬為：凈2×0.5m+12.5m。該橋于2006年11月建成通車，2017年6月7日特殊檢查顯示該橋病害嚴重，其病害主要表現(xiàn)為：橋面鋪裝縱向裂縫、網(wǎng)裂、沉陷;伸縮縫錨固區(qū)混凝土裂縫及破損;大量梁板存在跨中U型裂縫、豎向斜向裂縫，部分梁板裂縫存在縱向裂縫，橫隔板出現(xiàn)斜向裂縫。經(jīng)統(tǒng)計，主梁U形裂縫<0.15mm共127m，主梁U形裂縫≥0.15mm共64m。按照《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）[7]將大廣高速隴海鐵路立交橋橋梁總體技術狀況評定為4類。

1.2 病害原理分析

橋梁在運營階段出現(xiàn)了大量的跨中U型裂縫。從結構上講，這是因為在長期使用過程中預應力損失造成部分連續(xù)端負彎矩不滿足設計要求，彎矩削峰作用減弱，進而導致中跨箱梁跨中彎矩作用明顯增大，出現(xiàn)應力超限等情況。此外，大廣高速跨隴海鐵路立交橋的橫隔板設置較少，20m跨沒有設置橫隔板，40m跨僅設置有一道橫隔板，并且濕接縫寬度偏寬，整橋梁間的橫向聯(lián)系較弱，容易出現(xiàn)橫向受力分布不均，增加了單梁跨中彎矩效應。從外部荷載上講，這是因為經(jīng)濟發(fā)展導致的交通荷載增大，超載情況增多，也會導致跨中彎矩效應增大。大廣高速跨隴海鐵路立交橋裂縫病害中存在大量非結構性裂縫，此類裂縫不影響承載能力，但影響耐久性，任由其發(fā)展會造成鋼筋銹脹、混凝土脫落、露筋等問題?？赏ㄟ^混凝修復技術處理這些病害，從而恢復鋼筋的使用性能。

2 加固工法

以大廣高速公路隴海鐵路立交橋20m跨徑箱梁的加固為例。對于底腹板出現(xiàn)的豎向裂縫、U形裂縫，采用體外預應力加固，以恢復梁體的抗彎性能。體外預應力加固方案具體如下：①跨中U型裂縫沿跨徑方向間距總長度小于1/4跨徑或U型裂縫道數(shù)小于5道的，在底板增設4根鋼絞線;②跨中U型裂縫沿跨徑方向間距總長度大于1/4跨徑或U型裂縫道數(shù)大于5道的，在底板增設6根鋼絞線[8]。在預應力混凝土連續(xù)箱梁底板相應位置安裝鋼錨固塊，新增錨固塊采用特制鋼構件，體外預應力索采用環(huán)氧涂敷無粘結鋼絞線，外置PE防護套，采用專用可更換的體外預應力錨具?？紤]到本橋20m箱梁未設置跨中橫隔板，為增強箱梁間的橫向聯(lián)系，恢復梁板荷載承載力，本次加固設計分左右兩幅，對于一跨箱梁中出現(xiàn)一道以上U型裂縫或者豎向裂縫的位置，在跨中處設置一道3片橫隔板，連結半幅的四片箱梁，橫隔板采用鋼桁架形式。具體加固方案如圖1所示。

2.1 工法特點及適用范圍

本技術便于施工且可操作性強，加固后能改善橋梁結構的受力狀況，大幅提高橋梁的承載能力，有效抑制裂縫的發(fā)展，提高橋梁結構的耐久性。與其他橋梁加固方法相比，采用后增鋼桁架體外預應力的方法加固橋梁，能較大幅度提高舊橋承載能力和橋梁的整體受力性能;所需設備簡單，人力投入少，施工工期短，經(jīng)濟效果較明顯;在加固過程中，可以實現(xiàn)不中斷交通或短時限制交通;對原橋損傷較小，可以做到不影響橋下凈空，且不增加路面高程;能恢復甚至提高橋梁的荷載等級。

后增鋼桁架體外預應力橋梁加固方法適用于結構受力損傷或需要荷載等級提升的裝配式組合梁，尤其是抗彎承載力不足且橋梁間橫向聯(lián)系較弱的橋梁。該維修加固方法可在不損傷原結構的前提下對橋梁進行維修加固，避免了不必要的拆除和更換，可以實現(xiàn)不影響橋下凈空;在加固過程中，可以不中斷交通或短時限制交通，適合交通繁忙的橋梁。

2.2 工法原理

體外預應力是后張預應力體系的重要分支，預應力筋位于混凝土結構的外部，僅在錨固及轉向塊處與結構相連。體外預應力技術具有諸多優(yōu)點（施工方便，經(jīng)濟可靠;簡單的預應力鋼束線條走向大大減少了摩阻力作用;便于調(diào)整索力和檢查、養(yǎng)護、更換體外預應力鋼束;施工時不必封閉橋上交通等[9]），能顯著提高結構承載力和抗裂度，并能有效改善結構的應力狀態(tài)，已被廣泛應用于舊橋的加固工程中。鋼桁架在后增鋼桁架體外預應力加固方法中起到橫隔板的作用。橫隔板在保證截面梁橋橫向穩(wěn)定中起著重要作用，保證主梁之間的連接和調(diào)整各梁的不均勻荷載，減少或避免相鄰主梁在外力作用下產(chǎn)生不同的豎向位移進而產(chǎn)生豎縫的情況，提高了梁體的抗扭剛度。同時，箱形梁內(nèi)設置橫隔板，可提高梁體的抗扭穩(wěn)定性，增加截面的橫向剛度，限制畸變應力。橫隔板是使橋梁成為空間整體結構的重要組成部分，必須具有足夠的強度和剛度，強度愈大，傳遞荷載的能力就愈強，支承處橫隔板能承受的支承反力就越大;剛度愈大，橋梁的整體性愈好，在荷載作用下各主梁就能更好地共同工作。

2.3 施工工藝流程及操作要點

后增鋼桁架體外預應力橋梁加固方法總體施工順序[10]如圖2所示。

新增錨固塊、減震裝置及新增橫隔板放樣時，應避開原鋼筋、預應力束，并用紅漆在底板標明位置。新增橫隔板放樣時，應預留出預應力鋼束位置，以保證預應力鋼絞線可以穿過。為保證鋼板灌注粘貼質(zhì)量，應在鋼板下料時，在每塊鋼板上預留不少于3個出膠孔，完成后，應嚴格按照要求對鋼板制進行防腐涂裝。按設計的位置鉆孔，若孔位碰到原有鋼筋或和錨具密封筒有沖突，可適當調(diào)整鉆孔位置。鉆孔時，要了解錨固區(qū)鋼筋的分布情況，不能盲目造成過多的廢料孔，廢料孔應用原結構混凝土標號或高標號聚合物混凝土及時修補。錨固支撐構件與錨固采用焊接連接，焊接環(huán)境濕度不大于80%，環(huán)境溫度不應低于5℃，CO2氣體純度必須大于99.5%。焊接前，預熱溫度應通過焊接性試驗和焊接工藝評定確定，預熱范圍一般為焊縫每側100mm以上，距離焊縫30～50mm內(nèi)測溫。穿布新增預應力束時，注意不要損壞鋼絞線外的PE護套，應采用超張拉式重復張拉的方法張拉預應力束，以消除由于張拉次序先后引起預應力束的彈性壓縮損失。預應力束張拉嚴格以噸位和引伸量雙控，張拉過程中應對新增錨固端、負彎矩區(qū)域進行觀測，以防止意外發(fā)生，并檢驗加固效果，若有異常情況發(fā)生，應立即停止張拉。體外預應力束張拉完成后，應給張拉端套上保護套，以利于二次張拉及換索。鋼桁架與錨栓之間采用抗剪套筒與焊接連接，桿件均采用焊接形式，焊接過程要嚴格按照規(guī)范執(zhí)行，以確保焊縫質(zhì)量。沿裂縫方向每隔350～500mm騎縫埋設灌漿嘴，當從1個灌漿嘴灌漿時，其他灌漿嘴可當作排氣嘴使用。將灌漿嘴先固定在預定的位置上，在灌漿嘴四周及外表面用厚約5mm的結構膠將灌漿嘴密封、粘結好。

3 加固效果評價

依托大廣高速公路隴海鐵路立交橋加固專項工程，此項目為4類構件的維修加固，設計方案以恢復構件使用功能、一定程度上恢復承載能力、保障結構安全性和耐久性為目的。設計中區(qū)分構件結構性病害與非結構性病害，對于非結構性病害的構件，維修方案以恢復使用功能和耐久性為主;對于結構性病害及受力構件，維修加固時以恢復構件使用功能和承載能力。采用后增鋼桁架體外預應力橋梁加固方法加固后的橋梁耐久性、整體性、承載能力均得到了明顯改善，橋面的平整度達到了設計要求。以下是采用Midas/Civil程序計算后增鋼桁架體外預應力橋梁加固方法加固的箱梁，以40m箱梁加固前后為代表，對比各項指標數(shù)據(jù)，對比結果如表1所示。

通過計算可知，采用后增鋼桁架體外預應力橋梁加固方法加固后，大廣高速公路隴海鐵路立交橋橋梁構件使用功能、承載能力、安全性、耐久性等各項指標都明顯提高，滿足設計要求和實際承載需求。其中，20m箱梁正截面抗裂能力提升顯著高達175%;20、40m箱梁加固后箱梁抗彎承載能力和箱梁抗剪承載能力均較原設計有較大提升，最大抗力與最大彎矩之比分別提升了5.41%和11.64%，均能滿足結構的設計要求與通行要求。

4 結語

本文針對某一混凝土梁式橋在服役期間出現(xiàn)承載能力和整體性能降低的問題，分析了病害成因，詳細介紹了一種后增鋼桁架體外預應力橋梁加固方法，并對該加固方法的加固原理進行解釋，同時指出該工法的特點及適用范圍，詳細介紹了新工法的施工工藝流程和操作要點。實踐效果表明，該工法能大幅提高舊橋承載能力和橋梁的整體受力性能，是解決危橋加固的一種有益探索，可為同類問題提供有益參考。

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