預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的體外預(yù)應(yīng)力加固研究

賽志毅，段美棟，李 才，馬銀強(qiáng)

（1.山東高速股份有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有變形小、行車舒適性高自重較小等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，在我國公路橋梁中廣泛應(yīng)用。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，自身劣化、車輛超載、環(huán)境腐蝕等因素影響，許多既有橋梁底板、腹板等部位出現(xiàn)裂縫等影響承載力的病害，裂縫的存在會(huì)削弱梁體剛度和強(qiáng)度［1-3］。為滿足現(xiàn)行荷載的要求，需對(duì)橋梁進(jìn)行加固。目前橋梁加固的主要方法［4-5］：（1）增大截面法；（2）黏貼鋼板法；（3）黏貼碳纖維法；（4）體外預(yù)應(yīng)力加固法。

體外預(yù)應(yīng)力加固指通過施加體外預(yù)應(yīng)力，使原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的受力得到改善或調(diào)整的方法［6-8］。體外預(yù)應(yīng)力加固方法具有自重輕、施工方便、工期短、預(yù)應(yīng)力筋替換維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁加固中被廣泛運(yùn)用［9-12］。如何確定體外預(yù)應(yīng)力的預(yù)加應(yīng)力值是體外預(yù)應(yīng)力加固法的難點(diǎn)［1］。學(xué)者雖然總結(jié)了預(yù)加應(yīng)力值的計(jì)算方法和原則，但目前計(jì)算方法并不統(tǒng)一，加固后的檢測(cè)評(píng)估也無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

濟(jì)南黃河三橋上部結(jié)構(gòu)采用等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑組合為9×30 m+8×30 m+8×30 m+3 m+4×45 m+6×45 m，橋梁全寬19.55 m，主梁采用單箱雙室截面，箱梁混凝土為C50，梁高1.8 m，箱梁頂板寬度19.55 m，底板寬度10.77 m。箱梁采用縱、橫兩向預(yù)應(yīng)力體系，單根鋼絞線直徑為15.2 mm，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。主要病害為第二聯(lián)8×30 m 箱梁外裂縫較多，裂縫形式有腹板豎縫、底板橫縫、底板縱縫、L 形裂縫，分布在跨中附近，縫寬0.05～0.15 mm。采用15-15 型體外預(yù)應(yīng)力鋼束加固，體外預(yù)應(yīng)力鋼束由15 根15.24 單絲環(huán)氧涂覆型無黏結(jié)鋼絞線組成，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，每跨設(shè)置4束。

體外預(yù)應(yīng)力束張拉控制值計(jì)算原則，通過理論計(jì)算使結(jié)構(gòu)由體外預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反拱值等于或大于活載撓度增大值（靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與理論值之差）。該橋第二聯(lián)第1#～8#跨設(shè)計(jì)體外預(yù)應(yīng)力張拉控制值見表1［1］。

表1 體外預(yù)應(yīng)力張拉控制值

2 加固前后荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

加固前后對(duì)該橋第二聯(lián)1#～8#跨進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，測(cè)試在設(shè)計(jì)荷載作用下1#～8#跨跨中附近控制截面撓度和應(yīng)變，加載效率為0.96～0.99，符合《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）要求，1#～8#跨加載效率見表2。

表2 加載效率

撓度測(cè)點(diǎn)和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均布置在控制截面底板，每截面3 個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，5 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，撓度測(cè)點(diǎn)布置見圖1，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

圖1 撓度測(cè)點(diǎn)布置

圖2 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

2.1 撓度分析

加固前后撓度校驗(yàn)系數(shù)見表3，給出的校驗(yàn)系數(shù)為3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。由表3 可知，4#、5#、7#跨加固前撓度校驗(yàn)系數(shù)均＞1.0，超過了《規(guī)程》限值，與加固設(shè)計(jì)中這3 跨的張拉控制應(yīng)力較大對(duì)應(yīng)。加固后除8#跨外其余各跨撓度校驗(yàn)系數(shù)均有所減小，說明橋梁剛度有所提升。加固后撓度校驗(yàn)系數(shù)均＜1，滿足《規(guī)程》要求，說明橋梁剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 加固前后撓度校驗(yàn)系數(shù)

2.2 應(yīng)變分析

加固前后應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)見表4，給出了校驗(yàn)系數(shù)為5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。

表4 加固前后應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)

加固后各跨應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均有所減小，但2#、4#、5#、6#、7#跨校驗(yàn)系數(shù)仍然＞0.9，不滿足《規(guī)程》要求，說明橋梁強(qiáng)度不滿足要求。

通過撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分析可知，加固后撓度檢驗(yàn)系數(shù)滿足《規(guī)程》要求，但應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)不滿足《規(guī)程》要求，說明加固后橋梁承載力仍不滿足設(shè)計(jì)荷載要求。荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明體外預(yù)應(yīng)力提高了橋梁剛度和強(qiáng)度，但強(qiáng)度提高量不足，橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固方式有待改進(jìn)。

3 加固后有限元模型分析及總結(jié)

根據(jù)設(shè)計(jì)資料建立利用Midas Civil 建立有限元模型，見圖3。

圖3 Midas Civil 模型

計(jì)算體外預(yù)應(yīng)力引起的跨中反拱值和箱梁下緣的壓應(yīng)力，將體外預(yù)應(yīng)力反拱值與加固前撓度實(shí)測(cè)值與理論值之差比較，見表5。

表5 體外預(yù)應(yīng)力反拱值/mm

由表5 可知，除4#和6#跨外其余跨反拱值均大于加固前實(shí)測(cè)值與理論值之差，但4#和6#跨的反拱值與差值非常接近，體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)基本滿足加固原則。

將體外預(yù)應(yīng)力引起的箱梁下緣應(yīng)力與加固前荷載試驗(yàn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值的0.9 倍之差進(jìn)行比較，見表6。

表6 預(yù)壓應(yīng)力對(duì)比分析/MPa

由表6 可知，在當(dāng)前的體外預(yù)應(yīng)力加固方式作用下，2#、5#、6#、7#跨理論預(yù)壓應(yīng)力均小于實(shí)測(cè)值與理論值之差，而2#、5#、6#、7#跨加固后實(shí)測(cè)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均＞0.9，不滿足《規(guī)程》要求，理論分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相吻合。推斷加固后強(qiáng)度依然不足，與體外預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力不足有密切關(guān)系。

綜上所述，總結(jié)出另一種體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算方法，即計(jì)算體外預(yù)應(yīng)力筋對(duì)箱梁下緣的預(yù)壓應(yīng)力，使預(yù)壓應(yīng)力值大于或等于設(shè)計(jì)荷載作用下下緣應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值之差。同時(shí)，預(yù)壓應(yīng)力值不宜過大，《規(guī)程》中應(yīng)變檢驗(yàn)系數(shù)宜為0.6～0.9，建議預(yù)壓應(yīng)力值滿足：

式中：S實(shí)測(cè)—荷載試驗(yàn)時(shí)箱梁下緣應(yīng)力實(shí)測(cè)值；S理論—試驗(yàn)荷載作用下箱梁下緣應(yīng)力理論值；σ體外—體外預(yù)應(yīng)力筋作用下箱梁下緣預(yù)壓應(yīng)力。

根據(jù)公式（1）計(jì)算該實(shí)際工程體外預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 體外預(yù)應(yīng)力預(yù)壓應(yīng)力/MPa

由表7 可知，通過該方法計(jì)算的體外預(yù)應(yīng)力筋張拉控制值，較實(shí)際加固工程2#、5#、6#、7#跨所采用的張拉力有所提高，其余跨張拉力不變，經(jīng)有限元模型計(jì)算可知所有加固跨的體外預(yù)應(yīng)力引起的下緣壓應(yīng)力均滿足該方法的要求，具體加固效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)語

通過對(duì)實(shí)際工程預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋加固前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指出當(dāng)前體外預(yù)應(yīng)力加固方法的不足，針對(duì)性地提出更為有效的體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算方法。