某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁組合加固方法研究

摘 "要：某高速預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁受損后，上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量結(jié)構(gòu)性裂縫。橋梁特殊檢查結(jié)果表明，梁體跨中抗彎承載能力不滿足要求，剛度明顯降低，通過體外預(yù)應(yīng)力等組合加固方式，可有效提高主梁承載能力及剛度。

關(guān)鍵詞：連續(xù)箱梁；組合加固；體外預(yù)應(yīng)力；加固設(shè)計；混凝土

中圖分類號：U448.14 " " "文獻標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0137-05

Abstract： After a high-speed prestressed concrete continuous box girder is damaged， a large number of structural cracks appear in the superstructure. The results of special inspection of the bridge show that the bending bearing capacity of the beam in the middle span does not meet the requirements， and the stiffness is obviously reduced， effectively improving the bearing capacity and stiffness of the main beam.

Keywords： continuous box girder; combined reinforcement; external prestress; reinforcement design; concrete

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有整體性好、結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、抗震性能好、適用于彎橋、橋面伸縮縫少和行車舒適等優(yōu)點[1]。橋梁運營過程中，在各種因素作用下梁體會出現(xiàn)不同類型的病害，如腹板斜向裂縫、跨中底板橫向裂縫、腹板豎向裂縫。上述裂縫為結(jié)構(gòu)性受力裂縫，會進一步降低橋梁承載能力，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點及實際施工條件，運用組合加固方法能有效提升橋梁承載能力及剛度，具有理想的經(jīng)濟及設(shè)計效益[2]。

1 "工程概況

某橋第6聯(lián)結(jié)構(gòu)型式為（25+25+30+27） m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，上跨高速，位于圓曲線上，且3個連續(xù)墩均為獨柱墩。上部結(jié)構(gòu)采用支架現(xiàn)澆，梁高1.4 m。原橋面系由8 cm C40混凝土鋪裝層和10 cm瀝青混凝土鋪裝層組成。該橋于2008年建成，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級（JTG B01—2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》）。

本橋上部結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁在2018—2020年期間，跨中范圍內(nèi)底板橫向裂縫與腹板豎向裂縫由1條增長至25條，裂縫數(shù)量增長迅速，且梁端施工接縫位置處均開裂，上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況等級為4類。2020年進行了橋梁動靜載試驗，試驗結(jié)果表明：箱梁跨中抗彎承載能力不滿足規(guī)程要求；現(xiàn)場實測撓度大于理論計算值，表明主梁剛度減小。且本橋不滿足JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》第4.1.8條對獨柱墩橋梁的相關(guān)要求?；谏鲜鲈颍?021年對橋梁進行了加固設(shè)計。

2 "橋梁加固設(shè)計

本次維修加固設(shè)計荷載維持原設(shè)計不變，即公路-Ⅰ級（JTG B01—2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》）。加固設(shè)計主要目標(biāo)為提升主梁承載能力、主梁剛度及獨柱墩加固，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點采用以下組合加固方式。

2.1 "體外預(yù)應(yīng)力加固

體外預(yù)應(yīng)力加固法屬于主動加固法，通過對結(jié)構(gòu)施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，從而改善結(jié)構(gòu)原有的應(yīng)力及變形狀態(tài)，從而達到提高結(jié)構(gòu)承載力、混凝土的抗裂性能及耐久性的目標(biāo)。為提升箱梁跨中抗彎承載能力、抗裂性能及梁端施工縫位置抗裂性能，采用體外預(yù)應(yīng)力進行加固。

在箱梁腹板下緣增設(shè)體外束：增設(shè)2根直徑7-φs15.2鋼絞線，張拉錨固端跨過梁端施工接縫。本橋為匝道橋，上跨高速，為不影響梁底凈空，體外束沿腹板下緣布置，不超過梁底。鋼絞線兩端張拉，張拉控制應(yīng)力為1 116 MPa。施工過程中體外束應(yīng)采取分級張拉，每級張拉不超過設(shè)計值的30%，并且在每級張拉完成后，要詳細檢查錨固處、轉(zhuǎn)向處的情況。

根據(jù)現(xiàn)場施工條件及結(jié)構(gòu)受力情況，采用混凝土錨固塊，錨固塊內(nèi)預(yù)埋轉(zhuǎn)向鋼管，連續(xù)墩位置處設(shè)置混凝土轉(zhuǎn)向塊，其他部位通過設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向器以實現(xiàn)鋼束轉(zhuǎn)向。為減小振動對體外預(yù)應(yīng)力體系的影響，體外索每隔一定距離（不大于8 m）設(shè)置一個減震限位裝置。

為了確保加固施工過程中的結(jié)構(gòu)安全，在體外預(yù)應(yīng)力施工時，應(yīng)對箱梁主要控制截面應(yīng)力、變形、體外索有效預(yù)應(yīng)力和典型裂縫擴展情況進行監(jiān)控。

為保證施工過程中質(zhì)量把控和后期運營效果監(jiān)測，在每根索一端安裝一個非受力接觸型磁通量傳感器。磁通量傳感器的測量原理是基于錨索的磁彈效應(yīng)。即錨索受到荷載作用，內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，引起錨索內(nèi)部的磁場發(fā)生變化，通過測量錨索的磁導(dǎo)率變化，得到索力。

2.2 "粘貼鋼板加固

粘貼鋼板法是指將鋼板膠粘于混凝土結(jié)構(gòu)受拉范圍或受力薄弱的位置，使新加固鋼板與原混凝土結(jié)構(gòu)形成整體，后期共同參與受力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪承載能力及剛度，同時對結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)有所改善，抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生[3]。該方法有以下特性：①粘鋼膠干固時間短，一般粘鋼后2 d即可正常受力；②施工較為簡便，不需要借助大型設(shè)備，操作簡便；③膠粘劑材料性能高，可與結(jié)構(gòu)共同參與受力；④粘貼鋼板由于截面尺寸小，對結(jié)構(gòu)恒載影響小；⑤加固效果明顯，可改善結(jié)構(gòu)剛度及受力性能。

本項目為進一步提升連續(xù)箱梁跨中承載能力及剛度，在每孔箱梁梁底粘貼鋼板，鋼板材料選用Q355NHC，寬度150 mm，厚度5 mm，橫橋向共16片，鋼板錨栓孔間距為1 m。同時為了進一步抑制梁端施工縫開裂，在梁端底板跨施工縫粘貼鋼板，鋼板寬度、厚度及數(shù)量與跨中粘貼鋼板相同。

2.3 "橋面重鋪

增大截面加固法屬于被動加固法，構(gòu)件原截面要承受加固前本身的自重及因增大截面產(chǎn)生的自重作用，截面拉、壓邊的混凝土及鋼筋已有初始應(yīng)力或應(yīng)變，加固后的總截面中，新增部分只承受加固后的荷載作用，而原截面則要承受加固前、后的恒、活載作用。截面拉、壓邊的混凝土及鋼筋應(yīng)力也分為2次疊加。

植筋技術(shù)是利用專用化學(xué)黏合劑的快速高強固化特性，將錨筋或錨栓植入原有混凝土結(jié)構(gòu)中，達到與預(yù)埋鋼筋一樣的效果，從而連接新的混凝土結(jié)構(gòu)，對原有結(jié)構(gòu)進行補強加固。植筋主要是為了增加橋面鋪裝層和梁頂板之間的剪應(yīng)力，加強混凝土結(jié)合面的黏結(jié)強度，使橋面鋪裝層和梁板結(jié)合更加緊密。新老混凝土黏結(jié)界面剪切性能是衡量新老混凝土加固是否成功的關(guān)鍵指標(biāo)。

本橋采用橋面重鋪的方式，同時兼顧耐久性，將橋面系更換成7 cm瀝青混凝土鋪裝+13 cm C50防水混凝土鋪裝。鋪裝層內(nèi)設(shè)置雙層10 cm×10 cm D12帶肋鋼筋網(wǎng)，為保證現(xiàn)澆層與主梁協(xié)同受力，新做橋面鋪裝與原梁體采用植筋連接[4]，植筋間距為50 cm，呈梅花形布置。為提升連續(xù)墩頂位置處負彎矩安全儲備，在橋面鋪裝內(nèi)設(shè)置直徑16 mm，長度10 m，間距20 cm的墩頂短筋。同時更換原橋面伸縮縫。

2.4 "獨柱墩加固

本橋根據(jù)《公路危舊橋梁排查和改造技術(shù)要求》（交辦公路涵〔2021〕321號）及JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）進行了橋梁抗傾覆驗算[4-5]，驗算結(jié)果表明：本橋不滿足《規(guī)范》第4.1.8條對獨柱墩橋梁的相關(guān)要求，因此本橋進行獨柱墩加固改造設(shè)計。

獨柱墩橋梁抗傾覆能力提升主要是通過加強下部結(jié)構(gòu)支撐來實現(xiàn)。本項目獨柱墩無蓋梁，前期方案設(shè)計考慮墩頂增設(shè)鋼蓋梁，由于橋墩較高，墩柱直徑較小（1.5 m），墩柱抗壓承載能力不足，最終采用加長中橫梁，并在下方增設(shè)墩柱方式進行獨柱墩加固。

新增墩柱與原墩柱間距5 m，采用直徑1.1 m墩柱+直徑1.2 m樁基，新增樁基與原樁基間距大于等于4 m，滿足最小樁間距要求。如圖1所示。

3 "有限元分析

3.1 "承載能力驗算

采用Midas Civil 2019版進行結(jié)構(gòu)計算。該橋計算時將主梁按照空間理論簡化為單梁建模。模型離散為127個節(jié)點，126個梁單元。根據(jù)實際情況，共分成以下7個施工階段：①支架現(xiàn)澆箱梁；②預(yù)應(yīng)力張拉施工；③拆除支架；④橋面二恒施工；⑤收縮徐變10年；⑥橋梁加固；⑦通車運營[5]。計算模型如圖2所示。

根據(jù)特殊檢查結(jié)果，對橋梁各系數(shù)進行相應(yīng)折減。

基于橋梁缺損狀態(tài)下，通過施加體外預(yù)應(yīng)力和橋面重鋪等方式組合加固后，主梁抗彎承載能力提升10%～15%，主梁應(yīng)力驗算均滿足規(guī)范要求。綜上，主梁抗彎承載能力及抗裂性能均滿足設(shè)計荷載使用要求。

3.2 "剛度驗算

經(jīng)過橋面改造后，并考慮新鋪橋面現(xiàn)澆層與原主梁協(xié)同受力，活載作用下邊跨跨中撓度由16.5 mm減小至13.0 mm，剛度提升了21.2%，橋面現(xiàn)澆層加厚重鋪及粘貼鋼板使主梁剛度得到了顯著提升。

3.3 "局部應(yīng)力分析

3.3.1 "錨固塊局部計算分析

錨固塊采用植筋與主梁相連，錨固塊上施加的預(yù)應(yīng)力通過植筋及剪力槽傳遞到主梁上，使主梁原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。為保證結(jié)構(gòu)安全，對錨固塊建立局部分析模型進行應(yīng)力分析十分關(guān)鍵[6]。本項目采用Midas FEA建立錨固塊和部分箱梁的模型，離散為124 207個節(jié)點、157 282個單元。混凝土箱梁端面施加固結(jié)約束，錨墊板部位施加壓力荷載。如圖3所示。

計算結(jié)論如下：①由局部分析可知錨固塊混凝土最大拉應(yīng)力為1.1 MPa，最大壓應(yīng)力為14.9 MPa，均不超過C55混凝土抗拉設(shè)計強度、抗壓設(shè)計強度，滿足規(guī)范要求；②由細部分析可知主梁混凝土最大主拉應(yīng)力為1.27 MPa，最大主壓應(yīng)力為14.0 MPa，均不超過C50混凝土抗拉設(shè)計強度、抗壓設(shè)計強度，滿足規(guī)范要求。

3.3.2 "轉(zhuǎn)向器局部計算分析

轉(zhuǎn)向器采用螺栓與主梁相連，預(yù)應(yīng)力鋼束對轉(zhuǎn)向器的力通過鋼板及螺栓傳遞到主梁上，使主梁原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。為保證結(jié)構(gòu)安全，對轉(zhuǎn)向器建立局部分析模型進行應(yīng)力分析十分關(guān)鍵[7]。采用Midas FEA建立ZB轉(zhuǎn)向器鋼板和預(yù)埋螺栓的實體模型，螺栓埋入混凝土的部分固結(jié)約束，鋼板與混凝土接觸面采用只受壓約束。

計算結(jié)論如下：①鋼板最大Von-Mises應(yīng)力181.0lt;fy=305 MPa，滿足規(guī)范要求；②螺栓最大拉力為21.2 kN＜29.6 kN，螺栓最大剪力為20.2 kN＜28.6 kN，滿足規(guī)范要求；③由細部分析可知梁體混凝土最大主拉應(yīng)力為1.1 MPa，最大主壓應(yīng)力為9.8 MPa，均不超過C50混凝土抗拉設(shè)計強度、抗壓設(shè)計強度，滿足規(guī)范要求。

3.4 "抗傾覆驗算

在梁端曲線內(nèi)側(cè)增設(shè)抗拉拔裝置，在24#墩位置處加長橫梁，曲線外側(cè)增設(shè)橋墩，改造后抗傾覆驗算系數(shù)均滿足要求，相關(guān)計算內(nèi)容見表1。

4 "維修加固施工工藝及要點

為保證橋梁維修加固效果，使材料性能得到充分利用，同時考慮施工過程中結(jié)構(gòu)安全，本橋施工工藝流程如圖4所示。

一般橋梁維修加固遵循先“卸載”，再“加固”，最后“加載”的施工工序進行[6]，本項目考慮到上部結(jié)構(gòu)梁體壓應(yīng)力安全儲備較小，因此要求在張拉體外預(yù)應(yīng)力前要完成橋面現(xiàn)澆層施工。待體外預(yù)應(yīng)力張拉完成后再粘貼鋼板，最后進行橋面瀝青層施工。

4.1 "體外預(yù)應(yīng)力施工

體外預(yù)應(yīng)力施工是本工程關(guān)鍵工序，施工應(yīng)注意以下幾點。

1）植筋、澆筑錨固塊：放樣→鉆孔及清孔→原混凝土面鑿毛，植筋，焊接、綁扎鋼筋，預(yù)應(yīng)力管道布設(shè)→澆筑錨固塊→混凝土養(yǎng)生。

2）體外預(yù)應(yīng)力施工：體外束應(yīng)對稱分級張拉，每級張拉不超過張拉設(shè)計值的30%，每張拉完成一級，要詳細檢查錨固處及轉(zhuǎn)向處的受力情況，如果發(fā)現(xiàn)不良情況，應(yīng)停止張拉，待查明原因后采取相應(yīng)補強措施再進行張拉。張拉時以張拉力及引伸量雙控，張拉力控制為主，引伸量作為校核。

4.2 "梁底粘貼鋼板

本橋加固鋼板5 mm厚，采用手工涂膠法施工，施工工藝流程：鉆孔植筋→混凝土和鋼板粘合面表面處理→粘鋼膠配置→粘鋼膠涂敷和粘合→常溫固化→防銹處理。

鋼板錨栓施工應(yīng)注意避開預(yù)應(yīng)力鋼束，并盡量將受力主鋼筋及結(jié)構(gòu)鋼筋錯開布置；粘鋼前應(yīng)用斬斧在粘合面上依次輕斬混凝土表面，斬斧紋路應(yīng)與受力方向垂直，除去表層0.2～0.3 cm以露出砂石新面，并保證保持混凝土粘合面干燥清潔狀態(tài)，同時鋼板粘合面必須進行除銹和粗糙處理；粘鋼膠選擇A級膠，其性能需滿足相關(guān)規(guī)范要求；粘貼鋼板施工過程中除螺栓外，應(yīng)增加外撐壓設(shè)施（間距小于等于20 cm），保證鋼板粘貼質(zhì)量。

4.3 "增設(shè)墩柱改雙支撐

1）新增樁基施工采用回旋鉆，鉆孔完成后應(yīng)盡快放置鋼筋籠澆筑樁基混凝土。為保證原橋樁基安全，在施工時加強施工監(jiān)控工作。

2）按設(shè)計要求連接、綁扎墩身鋼筋，從底往上分批澆筑混凝土，注意預(yù)埋墊石鋼筋。

3）限制交通。按要求澆筑支座墊石（盆式橡膠支座同時需預(yù)埋支座錨栓，板式橡膠支座預(yù)埋限位螺栓及套筒）、梁底調(diào)平塊，安裝新增支座與梁體密貼，但不進行頂升，不改變原支座的受力狀態(tài)。板式橡膠支座周邊安裝限位措施。

施工期間（尤其是新增樁基成孔階段），應(yīng)密切監(jiān)測原柱頂?shù)乃?、豎直位移，必要時采取橋面限制偏載、對原柱設(shè)置斜撐等設(shè)施。

5 "結(jié)論

1）本橋通過組合加固的方式，有效地提高了主梁承載能力及剛度，橋梁抗傾覆能力也得到了提升。

2）為了對施工過程中的索力進行監(jiān)測，本項目在每根體外索安裝磁通量傳感器，其同樣可運用在后期體外索索力的長期觀測中，為是否采取補張拉提供有力的依據(jù)[7]。

3）后期橋梁運營過程中需要關(guān)注獨柱墩新增支座是否有脫空等病害，保證其能充分發(fā)揮作用。

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