既有PC橋梁上部結(jié)構(gòu)加固方法分析

楊芬,張華

摘 要：隨著我國基建事業(yè)的迅速發(fā)展，我國橋梁建設(shè)技術(shù)已經(jīng)名譽(yù)世界，高速公路的行車安全以及橋梁的正常使用，能夠使我國經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展。我國橋梁建設(shè)中，最多的是混凝土橋梁。隨著使用年限的增長，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)損傷，影響通行能力甚至橋梁出現(xiàn)安全問題。針對該現(xiàn)象文章對橋梁加固進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容有：對橋梁加固的方法進(jìn)行了分析，通過實(shí)際工程分析了病害產(chǎn)生的原因，通過對橋梁建模分析體外預(yù)應(yīng)力加固的效果。通過以上內(nèi)容研究，結(jié)果表明：該加固方法可以提高橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土;體外預(yù)應(yīng)力加固;PC連續(xù)梁橋;橋梁加固

0 引言

我國對橋梁加固的分析研究起步較晚，研究初期，通過大量的試驗(yàn)和工程實(shí)踐，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，使橋梁加固事業(yè)在我國開始取得成就。黃建鋒[1]通過破壞試驗(yàn)證明：通過增大截面加固橋梁，能夠提高結(jié)構(gòu)自身的承載能力。王元棟[2]通過改進(jìn)增大截面法來研究橋梁的受力狀態(tài)，結(jié)果表明該方法可提高斜截面的抗剪強(qiáng)度。王文煒[3]通過分析表明：行車荷載下，通過碳纖維布對橋梁進(jìn)行加固，可有效提高橋梁的抗彎承載能力。張延年[4]通過試驗(yàn)分析表明：粘貼碳纖維布可以提高橋梁的抗彎能力，以及屈服后梁的剛度。通過以上學(xué)者研究，橋梁加固項(xiàng)目取得了一定的成績，但該課題的研究還有一定空間，因此文章具有一定的意義。

1 橋梁加固方法

1.1 混凝土加固方法

混凝土主要病害表現(xiàn)為裂縫，針對該病害文章采取加固方式如下：

（1）當(dāng)裂縫寬度小于0.15 mm時，理論上認(rèn)定裂縫是可以自愈合的，該裂縫不影響結(jié)構(gòu)的正常使用，不需要采取加固措施只需做好混凝土的養(yǎng)護(hù)管理即可。該病害為一級病害。

（2）當(dāng)裂縫寬度為0.15 mm～0.2 mm時，利用水泥砂漿進(jìn)行裂縫修補(bǔ)，此時裂縫寬度不會造成結(jié)構(gòu)性能發(fā)生變化，此時將病害認(rèn)定為二級病害。

（3）當(dāng)裂縫寬度為0.2 mm～0.3 mm，裂縫位于結(jié)構(gòu)受力的位置上，該裂縫會造成承載能力降低，影響結(jié)構(gòu)的耐久性和使用性。補(bǔ)救方式可采用水泥漿或纖維玻璃布。該裂縫認(rèn)定為三級病害。

（4）當(dāng)裂縫寬度大于0.3 mm，且裂縫位于結(jié)構(gòu)受力位置上時，導(dǎo)致承載力降低，鋼筋外露產(chǎn)生銹蝕。此時必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行澆筑混凝土的方法加固補(bǔ)強(qiáng)。此時裂縫認(rèn)定為四級病害。

1.2 鋼筋加固方法

鋼筋是否進(jìn)行加固是由銹蝕后的承載能力確定的，而鋼筋的承載能力是屈服強(qiáng)度決定的。本文中鋼筋的屈服強(qiáng)度可由以下公式確定[5]。

fys=（1-1.077ηs）·fy/（1-ηs）

fuc=（1-1.077ηs）·fu/（1-ηs）

fys表示腐蝕后鋼筋的屈服強(qiáng)度;fuc表示腐蝕后鋼筋的極限強(qiáng)度;ηs表示鋼筋的截面損失率;fy表示鋼筋在沒受到腐蝕時的屈服強(qiáng)度;fu表示鋼筋在沒受到腐蝕時的極限強(qiáng)度。當(dāng)ηs>0.15時，按熱軋鋼筋處理。

通過以上公式判定銹蝕的鋼筋承載力是否滿足要求，如不滿足要求需對鋼筋進(jìn)行加固處理，其加固方法有：補(bǔ)焊鋼筋，粘貼鋼板，體外預(yù)應(yīng)力加固等[6]。

2 案例分析

2.1 工程概況

文章所依托工程為某地區(qū)一座PC連續(xù)梁橋，該橋的跨徑形式主要是（62+100+62）m對稱分布形式，橋梁長度為224 m。上部結(jié)構(gòu)梁體采用形式為變截面連續(xù)梁，橋面線型為雙向縱坡，橋梁豎曲線的半徑設(shè)置為9 000 m，支座采用的主要形式為盆式支座。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，成梅花形布置。邊跨的過渡墩為雙柱式，墩頂布置蓋梁，基礎(chǔ)形式采用鉆孔灌注樁，布置形式為雙排6根。通過對橋梁進(jìn)行分析表明：橋梁的整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求，后期進(jìn)行橋梁加固時，對橋梁驗(yàn)算可通過最大沖擊系數(shù)進(jìn)行。橋梁的預(yù)應(yīng)力損失較為嚴(yán)重，且超重車隊(duì)通過橋面時，會使橋梁的安全狀態(tài)受到影響。

2.2 病害原因分析

通過對原橋進(jìn)行實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該橋梁存在較多裂縫，主要分布位置為橋梁腹板，且內(nèi)側(cè)裂縫數(shù)量大于外側(cè)，主要分布于支點(diǎn)附近以及跨中位置，底板跨中位置橫向裂縫較多，頂板合攏位置縱縫較多，通過對裂縫病害分析可知，產(chǎn)生原因有以下幾點(diǎn)：

2.2.1 預(yù)應(yīng)力損失較大

通過分析研究表明：導(dǎo)致橋梁豎向預(yù)應(yīng)力損失的主要原因是預(yù)應(yīng)力鋼筋的長度較短，鋼筋產(chǎn)生回縮與錨夾具安裝時的誤差有直接關(guān)系;橋梁的施工質(zhì)量同樣對豎向預(yù)應(yīng)力有很大影響。案例橋梁采用的預(yù)應(yīng)力鋼筋為高強(qiáng)螺紋鋼筋，該鋼筋的預(yù)應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致腹板產(chǎn)生斜裂縫。

2.2.2 彎矩較大

由于橋梁跨中位置承受彎矩較大，導(dǎo)致鋼筋產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失，因此在橋跨底板產(chǎn)生較多的橫向裂縫。橋梁在使用過程中底板承受的拉應(yīng)力較大，當(dāng)該應(yīng)力超過極限值時混凝土發(fā)生開裂。

2.2.3 溫度梯度影響

橋梁在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，忽略了溫度梯度帶來的橫向效應(yīng)。橋梁的箱梁結(jié)構(gòu)自身較大，在高度上存在不均勻溫差，頂板在溫度效應(yīng)作用下產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力被忽略。箱梁頂板沿橋方向上存在壓應(yīng)力，因此會產(chǎn)生橫向拉應(yīng)變，導(dǎo)致橋梁跨中合攏段產(chǎn)生縱向裂縫。

2.3 箱梁頂板分析

2.3.1 模型建立

文章通過有限元軟件ANSYS對箱梁頂板進(jìn)行模型建立，模型建立過程中忽略橋面鋪裝和箱梁之間的聯(lián)合作用。solid6單元為八節(jié)點(diǎn)單元，該單元是針對鋼筋混凝土設(shè)計(jì)。該單元的破壞準(zhǔn)則能夠有效對混凝土開裂進(jìn)行模擬，因此文章使用該單元對箱梁頂板進(jìn)行模擬;solid45單元為八節(jié)點(diǎn)單元，主要對箱梁的腹板和底板進(jìn)行模擬;link10單元對鋼絞線進(jìn)行模擬，橋梁模型采用的約束為橫向簡支約束，設(shè)置于箱梁底板的兩側(cè)位置。箱梁頂板如圖1所示。

2.3.2 頂板分析

本節(jié)對橋梁頂板進(jìn)行受力分析時，主要考慮因素有：箱梁頂板自重、溫度梯度、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、橋面鋪裝、汽車荷載。通過對橋梁頂板的分析結(jié)果可知：橋梁頂板產(chǎn)生縱向裂縫，該病害發(fā)生的主要原因是溫度梯度和超載車輛二者共同作用發(fā)生的，同時也說明超載車輛是使橋梁產(chǎn)生病害的主要原因之一。因此在橋梁的建設(shè)和運(yùn)行過程中應(yīng)對橋梁加強(qiáng)管理，使橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的安全性。

3 體外預(yù)應(yīng)力加固

3.1 加固方案

文章所采用的體外預(yù)應(yīng)力加固方案主要目標(biāo)是使橋梁的正常使用功能得到恢復(fù)，使結(jié)構(gòu)具有較好的安全性，使橋梁的使用年限增長。在進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固時，控制截面選取病害多發(fā)的位置，該方法具有一定的代表性。該方法主要是使橋梁加固后能夠正常運(yùn)營。橋梁的跨中段、邊跨合龍段的箱梁頂板有較多的縱縫，為保證橋梁能夠達(dá)到正常使用狀態(tài)，文章對該裂縫進(jìn)行了黏貼碳纖維布處理，防止裂縫繼續(xù)發(fā)展。該橋梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力鋼筋布置時，布置方式如圖2所示。

3.2 加固效果分析

通過對橋梁的現(xiàn)狀調(diào)查和橋梁汽車荷載試驗(yàn)，表明橋梁具有足夠的承載能力，橋梁在正常使用過程中的抗裂驗(yàn)算不符合設(shè)計(jì)要求，因此文章本節(jié)通過對橋梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固來進(jìn)行抗裂性能的分析，同時對加固后的混凝土進(jìn)行壓應(yīng)力驗(yàn)算。

3.2.1 結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算

通過對加固效果進(jìn)行分析可知：通過體外預(yù)應(yīng)力加固后，橋梁主梁邊跨、中跨跨中的抗裂性能有明顯當(dāng)?shù)奶岣摺D2所示的預(yù)應(yīng)力鋼筋布置形式可以有效解決橋梁預(yù)應(yīng)力不足的病害。

文章對箱梁的底板下緣、跨中底板、箱梁頂板上緣等位置進(jìn)行了抗裂驗(yàn)算，其結(jié)果說明：文章采取的體外預(yù)應(yīng)力加固可以使橋梁的正截面抗裂性能有所提高，進(jìn)行加固后橋梁抗裂驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求。通過對箱梁的斜截面進(jìn)行抗裂驗(yàn)算可知該性能同樣能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 混凝土抗壓驗(yàn)算

文章通過對主梁壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算可知：該加固方法有效增大正截面混凝土的壓應(yīng)力，但增大的數(shù)值較小，同時滿足規(guī)定要求。通過對橋梁的抗壓性能進(jìn)行驗(yàn)算可知，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可提高橋梁抗裂性能。

4 結(jié)語

本文通過對PC梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

（1）混凝土存在病害主要為裂縫，其加固方式為澆筑混凝土;鋼筋的加固方式為補(bǔ)焊鋼筋，粘貼鋼板，體外預(yù)應(yīng)力加固。

（2）通過對案例進(jìn)行分析可知：橋梁產(chǎn)生病害的主要原因有：預(yù)應(yīng)力損失較大、溫度梯度影響、應(yīng)力計(jì)算錯誤。通過對現(xiàn)狀橋梁進(jìn)行分析可知橋梁存在預(yù)應(yīng)力損失，且橋梁有重載車輛行駛，但橋梁的安全性能有所保障，當(dāng)超重車隊(duì)通過橋面時，會使橋梁的安全狀態(tài)受到影響。

（3）文章對橋梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固，通過對結(jié)構(gòu)抗裂性能、混凝土抗壓性能進(jìn)行驗(yàn)算可知，該加固方法可提高橋梁的抗彎抗裂性能，增加橋梁的使用年限。

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