大跨徑PC連續(xù)梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)

王浩陽

（河北高速公路集團(tuán)有限公司大廣分公司饒陽養(yǎng)護(hù)班組，河北 石家莊 050000）

0 引言

近年來，大跨度PC連續(xù)梁橋因跨度大、線性平穩(wěn)而被廣泛應(yīng)用。然而，大跨度PC連續(xù)梁橋的缺點(diǎn)在運(yùn)營過程中也逐漸顯現(xiàn)出來，如梁體下?lián)稀⒅髁毫芽p等。上述大跨度PC連續(xù)梁橋病害通常采用體外預(yù)應(yīng)力加固的方式進(jìn)行解決[1]。本文以某公路一座大跨度PC連續(xù)梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固項(xiàng)目為研究背景，詳細(xì)地調(diào)查了橋梁的病害及運(yùn)營狀況，提出了具體加固方案，并對加固效果采用有限元模擬軟件進(jìn)行評價，可為后續(xù)同類橋梁加固提供參考依據(jù)。

1 工程概況

本文以某公路一座PC連續(xù)梁橋的加固設(shè)計(jì)項(xiàng)目為研究背景，該橋主跨橋墩采用實(shí)體板式墩，邊跨橋墩采用雙柱式墩，橋墩基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁。橋跨布置為60m+110m+60m，橋梁全長230m。橋梁主梁截面設(shè)計(jì)形式為變截面連續(xù)梁，橋面線性在設(shè)置雙向縱坡的同時又增加了2%的橫坡，本橋的支座均采用盆式支座。該橋設(shè)計(jì)荷載等級為公路-Ⅰ級。橋梁立面圖、懸臂施工梁段劃分圖及主梁截面圖如圖1～圖3所示。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 懸臂施工梁段劃分圖

圖3 主梁截面圖（單位：cm）

2 橋梁現(xiàn)狀

從公路養(yǎng)護(hù)部門得知該橋建于2016年4月，并于2017年11月通過竣工驗(yàn)收。橋梁通車運(yùn)營后打通了該省道的交通節(jié)點(diǎn)，因其連接著附近的港口、砂石料場、大件運(yùn)輸企業(yè)等，交通流量較大，且多為重載車輛。橋梁建成通車運(yùn)營4年后，發(fā)現(xiàn)主梁存在大量裂縫，且梁體嚴(yán)重下?lián)稀?/p>

2.1 橋梁病害調(diào)查

橋梁檢測機(jī)構(gòu)對該橋進(jìn)行了詳細(xì)的外觀檢查，同時結(jié)合橋梁的荷載試驗(yàn)對其進(jìn)行了承載能力綜合評定。經(jīng)過外觀檢測主要發(fā)現(xiàn)，箱梁底板、頂板、腹板均存在大量裂縫，寬度為0.12～0.35mm。通過線性測量發(fā)現(xiàn)，實(shí)測高程與設(shè)計(jì)高程最大偏差約為30mm，梁體下?lián)犀F(xiàn)象較為嚴(yán)重[2-3]。具體裂縫病害見表1。

表1 橋梁裂縫病害統(tǒng)計(jì)表

2.2 橋梁運(yùn)營狀況

通過現(xiàn)場對該橋運(yùn)營現(xiàn)狀的長期觀察，得知其交通流量較大且多為重載大貨車，長期處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。為進(jìn)一步了解橋梁運(yùn)營期間車輛荷載作用現(xiàn)狀，選取一天中8:00—20:00進(jìn)行觀測統(tǒng)計(jì)車輛。研究結(jié)果表明，在該調(diào)查時間段內(nèi)，橋上通行約11 286輛車，其中載重汽車與罐車占比為63%，小汽車占比33%，大客車占比4%。根據(jù)該橋附近超限檢測站的數(shù)據(jù)得知，該路線行駛的車輛存在部分超載車輛。從相關(guān)參考文獻(xiàn)可以得知，超載車輛上橋行駛將會嚴(yán)重危害橋梁運(yùn)行安全，極大地降低橋梁實(shí)際承載能力[4]。

3 體外預(yù)應(yīng)力加固

通過上文可知，該大跨度PC連續(xù)梁橋的主要病害為主梁裂縫、梁體下?lián)稀＿M(jìn)一步對橋梁的上述病害結(jié)合承載能力評定進(jìn)行分析研究，得知橋梁的實(shí)際剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但有效預(yù)應(yīng)力已不滿足設(shè)計(jì)要求。通過承載能力驗(yàn)算可知，橋梁在承載能力極限狀態(tài)下可滿足要求，但在正常使用極限狀態(tài)已不滿足要求。為滿足橋梁正常使用要求，本橋采取以體外預(yù)應(yīng)力加固為主，其他措施為輔的加固維修方式。體外預(yù)應(yīng)力加固主要基于在原梁體結(jié)構(gòu)上增加體外索，對既有結(jié)構(gòu)主動施加應(yīng)力，以改善結(jié)構(gòu)受力的一種方法[5～6]。

3.1 加固方案

為滿足橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固后正常運(yùn)營，在加固前先對主梁各截面位置處的裂縫進(jìn)行處理，通常情況下，當(dāng)裂縫寬度小于0.15mm時，采用表面封閉的處理措施；當(dāng)裂縫寬度大于0.15mm時，采用水泥漿灌封的處理方法。為限制箱梁頂板縱向裂縫的發(fā)展，在裂縫處粘貼碳纖維布進(jìn)行加固處理，同時對腹板裂縫處進(jìn)行粘貼鋼板加固處理[7]。

3.1.1 體外預(yù)應(yīng)力束面積估算

大跨度PC連續(xù)梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固首先要對加固結(jié)構(gòu)所需的體外預(yù)應(yīng)力束面積進(jìn)行估算，根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)計(jì)算體外預(yù)應(yīng)力束面積估算按公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式（1）中：St為體外預(yù)應(yīng)力束面積；φ為體外縱向預(yù)應(yīng)力折減系數(shù)；Sn為控制截面底板或頂板體內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力筋面積設(shè)計(jì)值；σpe為體內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力；en為控制截面底板或頂板體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋距離截面中性軸平均距離；σtpe為體外預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力；et為控制截面體外預(yù)應(yīng)力束距離截面中性軸平均距離。

該橋中跨跨中截面底板有24束14?15.2的鋼絞線，面積為47 040mm2；體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為1 302MPa；體內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力筋折減系數(shù)為0.15；體外預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為1 116MPa，截面底板體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋距離截面中性軸平均距離為1 310mm，體外預(yù)應(yīng)力束距離截面中性軸平均距離為1 050mm。由公式（1）計(jì)算得出所需體外預(yù)應(yīng)力束面積為10 270mm2。

該橋邊跨截面底板有12束14?15.2的鋼絞線，面積為23 520mm2；體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為1 302MPa；體內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力筋折減系數(shù)為0.15；體外預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為1 116MPa，截面底板體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋距離截面中性軸平均距離為1 310mm，體外預(yù)應(yīng)力束距離截面中性軸平均距離為710mm。由公式（1）計(jì)算得出所需體外預(yù)應(yīng)力束面積為7 594mm2。

3.1.2 體外預(yù)應(yīng)力束設(shè)計(jì)

根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力束的上述相關(guān)計(jì)算參數(shù)值及橋梁實(shí)際情況，最終選取4束17?15.2環(huán)氧涂層鋼絞線成品索進(jìn)行體外加固。體外預(yù)應(yīng)力布置形式為全跨通長，線性采用折線形，張拉方式為兩端對稱張拉，預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為1 116MPa[8]。

通過外觀病害調(diào)查得知該橋的邊跨合龍位置處頂?shù)装寮爸锌缈缰形恢锰庬數(shù)装寰嬖诖罅苛芽p，因此本次在體外預(yù)應(yīng)力加固時將邊跨的轉(zhuǎn)向裝置設(shè)在距離支點(diǎn)0.52L位置處，將中跨的轉(zhuǎn)向裝置設(shè)置在距離支點(diǎn)0.25L位置處。轉(zhuǎn)向裝置采用豎向轉(zhuǎn)向肋，轉(zhuǎn)向器采用整束式轉(zhuǎn)向器。每隔10m設(shè)置定位裝置，避免自振頻率相近產(chǎn)生共振的安全隱患。

3.2 加固效果分析

3.2.1 加固后有限元模型建立

根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力加固后的橋梁現(xiàn)狀建立有限元模型，在有限元分析時考慮橋梁的實(shí)際情況，體內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力在原設(shè)計(jì)值上按照15%進(jìn)行折減，同時豎向預(yù)應(yīng)力按照全部失效進(jìn)行考慮。因該橋梁為舊橋加固，在計(jì)算體外預(yù)應(yīng)力損失時無需考慮混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失。在進(jìn)行分析時應(yīng)考慮因體外索張拉原梁體結(jié)構(gòu)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力因彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失，除汽車荷載按實(shí)際情況進(jìn)行取值修正外，其他參數(shù)按設(shè)計(jì)值計(jì)算，體外預(yù)應(yīng)力加固后的有限元模型如圖4所示。

圖4 體外預(yù)應(yīng)力加固后的有限元模型圖

3.2.2 加固后橋梁整體驗(yàn)算

通過檢測機(jī)構(gòu)對該橋橋梁荷載試驗(yàn)及承載能力檢算，得知該橋的實(shí)際承載能力可以滿足設(shè)計(jì)要求，但是在正常使用狀態(tài)下抗裂性不能滿足設(shè)計(jì)要求。為驗(yàn)證橋梁加固后的整體效果，對加固后的橋梁抗裂性能進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證分析（見表2、表3），同時對加固后橋梁混凝土的壓應(yīng)力也進(jìn)行了檢算（見表4）。

表2 加固后橋梁結(jié)構(gòu)正截面抗裂驗(yàn)算 單位：MPa

表3 加固后橋梁結(jié)構(gòu)斜截面抗裂驗(yàn)算 單位：MPa

通過對體外預(yù)應(yīng)力加固后的橋梁正截面、斜截面抗裂性驗(yàn)算，表明體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可以明顯提高老舊橋梁的抗裂性，加固后橋梁抗裂性滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

表4 加固后橋梁結(jié)構(gòu)正截面混凝土抗壓驗(yàn)算 單位：MPa

通過對體外預(yù)應(yīng)力加固后的橋梁正截面混凝土抗壓驗(yàn)算，表明體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可以明顯改善橋梁的整體受力性，加固后橋梁正截面混凝土抗壓滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。同時，由理論撓度計(jì)算得知，加固后將會使橋梁中跨跨中上撓5mm，可緩解原結(jié)構(gòu)嚴(yán)重下?lián)系膯栴}。

4 結(jié)語

本文基于某大跨徑PC連續(xù)梁橋的體外預(yù)應(yīng)力加固為研究背景，詳細(xì)介紹了大跨徑PC連續(xù)梁橋病害及運(yùn)營現(xiàn)狀。同時結(jié)合橋梁現(xiàn)狀提出了詳細(xì)的加固設(shè)計(jì)方案，最后通過有限元分析軟件對體外預(yù)應(yīng)力加固效果進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)能明顯提高橋梁抗裂性恢復(fù)橋梁結(jié)構(gòu)正常使用功能。