◎ 張小剛　王　技　李王輝　交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

某連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究

◎ 張小剛王技李王輝交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋常由于預(yù)應(yīng)力損失等因素，導(dǎo)致下?lián)虾土后w開(kāi)裂，需采取主動(dòng)加固方式才能徹底根治病害。體外預(yù)應(yīng)力通常布置在受拉區(qū)混凝土截面外部，通過(guò)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行張拉后產(chǎn)生的偏心彎矩來(lái)對(duì)梁體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行改善，從而提高主梁梁體剛度。本文以實(shí)際工程為例，對(duì)某連續(xù)剛構(gòu)橋存在病害及原因進(jìn)行分析，對(duì)大橋主、引橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)進(jìn)行探討。

連續(xù)剛構(gòu)橋 體外預(yù)應(yīng)力 加固技術(shù)

1.工程概況

某橋梁于上世紀(jì)90年代建成通車(chē)，跨越黃土塬V型沖溝，跨徑組合為（2×25）+（60+2×100+60）+（2×25）m，主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。該橋定期檢查發(fā)現(xiàn)主橋箱梁腹板存在較多斜向裂縫，裂縫間距20～30cm；中跨跨中存在一定程度的下?lián)希鳂蝽?、底板存在縱向裂縫等病害。為了改善主梁受力，并抑制主橋中跨跨中下?lián)?，確保運(yùn)營(yíng)安全，故對(duì)該橋進(jìn)行加固處治，如圖1所示。

2.橋梁主要病害及成因分析

2.1主橋主跨跨中下?lián)?/p>

跨中下?lián)鲜谴罂鐝交炷亮簶虻某Ｒ?jiàn)病害，結(jié)合本橋?qū)嶋H情況分析病害產(chǎn)生原因如下：

（1）在荷載長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生混凝土徐變，對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和截面的應(yīng)力分布會(huì)造成影響。

（2）如施工中預(yù)應(yīng)力實(shí)際張拉力和預(yù)應(yīng)力損失與設(shè)計(jì)相差較大，將導(dǎo)致梁體永存預(yù)應(yīng)力減小。

（3）箱梁底板、腹板、頂板開(kāi)裂等梁體病害及缺陷，導(dǎo)致梁體剛度削弱，加劇主梁下?lián)稀?/p>

（4）隨著交通量的增大，重型、超重型車(chē)輛的增多，造成動(dòng)荷載過(guò)大。

（5）為縮短工期，施工時(shí)會(huì)采用在混凝土中添加早強(qiáng)劑等措施，有可能在齡期沒(méi)達(dá)到設(shè)計(jì)要求就張拉預(yù)應(yīng)力。過(guò)早加載會(huì)不僅使預(yù)應(yīng)力的損失加大，而且使徐變撓度增大。

圖1　橋型布置圖

2.2主橋箱梁腹板斜向裂縫

腹板斜向裂縫與箱梁底板夾角30°～45°，夾角靠近支點(diǎn)側(cè)大，靠近跨中側(cè)變小，裂縫走向?yàn)榭缰袀?cè)高支點(diǎn)側(cè)低，裂縫形態(tài)與主拉應(yīng)力裂縫特征相符；經(jīng)核查圖紙，主橋箱梁腹板尺寸相對(duì)較小，豎向預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，受精軋螺紋鋼錨固體系工藝局限及施工質(zhì)量影響，豎向預(yù)應(yīng)力一般難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)頂板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束未設(shè)置下彎，不能提供有效的預(yù)剪力，對(duì)主拉應(yīng)力控制沒(méi)有起到有效的作用；綜合上述分析，判斷腹板斜向裂縫為腹板尺寸相對(duì)較小，豎向預(yù)應(yīng)力損失較大，在超載車(chē)輛作用下導(dǎo)致主拉應(yīng)力超限引起的受力裂縫。

2.3主橋箱梁頂板內(nèi)側(cè)縱向裂縫

主橋箱梁頂板內(nèi)側(cè)縱向裂縫大量集中分布于中跨合攏段、邊跨現(xiàn)澆段及附近塊段，分析認(rèn)為由于梁段混凝土齡期差影響，中跨合攏段、邊跨現(xiàn)澆段附近頂板混凝土收縮受到先期澆筑的懸澆梁段混凝土約束而形成的混凝土早期收縮裂縫。

2.4引橋箱梁腹板、底板縱向裂縫

預(yù)制箱梁腹板縱向裂縫普遍出現(xiàn)在距離箱梁底面20cm左右位置，是腹板與底板混凝土分層澆筑面，容易產(chǎn)生收縮裂縫；此外裂縫走向與鋼絞線走向基本一致，波紋管施工定位不準(zhǔn)，導(dǎo)致波紋管位置混凝土保護(hù)層偏薄，或混凝土齡期不足，在鋼絞線施工張拉過(guò)程中，局部應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生縱向裂縫，影響結(jié)構(gòu)耐久性。

3.加固設(shè)計(jì)構(gòu)思

為了提高大橋腹板抗剪能力，改善主梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，加固設(shè)計(jì)構(gòu)思如下：

（1）通過(guò)增設(shè)縱向體外預(yù)應(yīng)力鋼束，使主跨跨中有一定的向上位移，抑制主梁下?lián)?，同時(shí)抵消加固帶來(lái)的自重增加不利影響，并適當(dāng)改善主梁應(yīng)力狀態(tài)，提高承載能力。

（2）通過(guò)增大橋墩附近節(jié)段腹板截面，改善主梁腹板受力狀態(tài)，提高該段抗剪承載力及主橋剛度。

（3）通過(guò)腹板粘貼鋼板，提高其抗剪承載力，抑制裂縫開(kāi)展。

4.加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）主橋新增縱向體外預(yù)應(yīng)力鋼束布設(shè)。本橋共4跨，分2個(gè)邊跨及2個(gè)中跨。因主橋中跨出現(xiàn)較大程度的下?lián)希蚁淞焊拱宄霈F(xiàn)大量斜向裂縫，裂縫寬度較寬，一定程度上削弱了主梁剛度。故針對(duì)主橋新增12束15-15的縱向體外預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)留6束15-15的預(yù)應(yīng)力孔道，視后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)狀況可再行增補(bǔ)縱向預(yù)應(yīng)力體外鋼束。

（2）主橋3、4跨布置的鋼束一端錨固在第3跨邊跨現(xiàn)澆段新增混凝土齒板處，另一端錨固于4號(hào)墩零號(hào)塊大樁號(hào)側(cè)新增齒板處，新增鋼束在第3跨由底板通過(guò)新增轉(zhuǎn)向塊上彎至3號(hào)墩墩頂上緣，新增鋼束在第4跨由頂板通過(guò)新增轉(zhuǎn)向塊下彎至跨中底板；主橋4、5跨布置的鋼束一端在3號(hào)墩0號(hào)塊邊跨側(cè)橫隔板處設(shè)置混凝土齒板，另一端錨固于5號(hào)墩零號(hào)塊大樁號(hào)側(cè)橫隔板處，新增鋼束在4、5跨由頂板通過(guò)新增轉(zhuǎn)向塊下彎至跨中底板；主橋5、6跨布置的鋼束一端錨固在第6跨邊跨現(xiàn)澆段新增混凝土齒板處，另一端錨固于4號(hào)墩零號(hào)塊小樁號(hào)側(cè)新增齒板處，新增鋼束在第6跨由底板通過(guò)新增轉(zhuǎn)向塊上彎至5號(hào)墩墩頂上緣，新增鋼束在第5跨由頂板通過(guò)新增轉(zhuǎn)向塊下彎至跨中底板。在3～5號(hào)墩橫隔板間左右邊腹板處增設(shè)鋼筋混凝土加勁肋板。預(yù)應(yīng)力錨下張拉控制應(yīng)力為0.55fpk=1023MPa，采用張拉力與引伸量雙控，以引伸量校核。

（3）本橋在跨中附近采用輕型鋼制轉(zhuǎn)向塊，以減小其自重帶來(lái)的不利影響。其它位置轉(zhuǎn)向塊及齒板采用C50自流平混凝土澆筑。體外預(yù)應(yīng)力鋼束采用環(huán)氧噴涂鋼絞線體外束，錨具、錨墊板、錨下螺旋箍筋均采用其配套產(chǎn)品，錨下張拉控制應(yīng)力為1023MPa。同時(shí)在自由段設(shè)置減振裝置，避免索體產(chǎn)生較大的振動(dòng)。在體外束中跨合攏段位置布置磁通量傳感器，以便施工過(guò)程和后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)鋼束應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量。

（4）為了提高腹板抗剪承載能力，改善主梁腹板結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對(duì)第3～6跨的1～7號(hào)節(jié)段腹板加厚15cm混凝土，并在第3～6跨的8～9號(hào)梁段粘貼斜向鋼板，在合攏段附近粘貼豎向鋼板。鋼板采用Q355NHC鋼，厚度8mm，寬度18cm，縱橋向每隔50cm凈距粘貼一道。

5.加固前后結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)比分析

采用通用有限元軟件對(duì)新增鋼轉(zhuǎn)向塊及混凝土齒板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算滿足圣維南原理假定。計(jì)算結(jié)果如下：

（1）計(jì)算結(jié)果表明，鋼轉(zhuǎn)向塊在體外預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力作用下，鋼轉(zhuǎn)向塊的最大等效應(yīng)力34.0MPa。本橋各轉(zhuǎn)向塊鋼材等效應(yīng)力水平較低，均遠(yuǎn)小于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且轉(zhuǎn)向塊結(jié)構(gòu)變形很小，說(shuō)明轉(zhuǎn)向塊強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）新增齒板的最大主拉應(yīng)力為3.72MPa，出現(xiàn)在箱梁新增齒板與頂板底面連接處，考慮普通鋼筋作用，結(jié)構(gòu)受力能夠滿足規(guī)范要求。

6.結(jié)論

綜上所述，體外預(yù)應(yīng)力施加有效降低了混凝土澆筑施工增大結(jié)構(gòu)自重后在橋跨斷面產(chǎn)生的拉應(yīng)力，增大了箱梁斷面壓應(yīng)力儲(chǔ)備，抑制裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，提升結(jié)構(gòu)承載力，保證橋梁結(jié)構(gòu)性能，該橋梁工程加固后徐變系數(shù)調(diào)整，模擬濕度60%，縱向預(yù)應(yīng)力損失20%，豎向預(yù)應(yīng)力損失100%，開(kāi)裂區(qū)域剛度折減15%，縱向預(yù)應(yīng)力損失20%，取得了良好的加固效果。

［1］劉士林，許宏元，等.大跨徑混凝土梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)預(yù)應(yīng)力技術(shù)［J］，2011（01）：15-20.

［2］牛宏.公路混凝土橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2011（04）：18-27.

［3］謝峻，王國(guó)亮，鄭曉華.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋長(zhǎng)期下?lián)蠁?wèn)題的研究現(xiàn)狀［J］.公路交通，20071（01）：47-48.