李學(xué)豐

（中建路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

隨著公路橋梁服役時(shí)間的延長，受橋梁交通量不斷增長的影響，橋梁結(jié)構(gòu)安全性能有所下降，亟須采取橋梁加固技術(shù)措施，恢復(fù)原橋梁設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。在橋梁加固設(shè)計(jì)中，需要針對(duì)橋梁不同部位出現(xiàn)的病害采用多種加固方法，尋求最佳的加固設(shè)計(jì)方案。本文重點(diǎn)針對(duì)主梁和橫隔梁加固部位，分析預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固設(shè)計(jì)和加大截面加固設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

某公路橋梁工程為鋼筋混凝土簡支T梁橋，跨徑為20m，上部結(jié)構(gòu)T梁共5片，翼板寬為1.6m，腹板寬為0.18m，受壓鋼筋為HRB400鋼筋和HRB335鋼筋，HRB400鋼筋直徑為22mm，共2根。HRB335鋼筋直徑為28mm，共10根。箍筋采用R235鋼筋，直徑為8mm，箍筋間距為14cm，在橋梁的端部使用四肢箍筋，跨中使用雙肢箍筋。橋梁工程在多年使用后出現(xiàn)病害，需進(jìn)行加固改造，以保證橋梁結(jié)構(gòu)安全性。本工程加固設(shè)計(jì)方案為：主梁采用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩外包聚合物砂漿加固設(shè)計(jì)；橫隔梁采用加大截面加固設(shè)計(jì)；翼板接縫采用現(xiàn)澆混凝土濕接縫處理方法。

2 公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)

2.1 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固設(shè)計(jì)

2.1.1 原主梁加固設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度、張拉控制應(yīng)力計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失，體外預(yù)應(yīng)力筋因轉(zhuǎn)向和錨固摩擦產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力為23.33MPa[1]；因錨具變形、接縫引起的腹板和底板預(yù)應(yīng)力損失分別為42.026MPa、40.625MPa；因鋼筋松弛引起的腹板、底板預(yù)應(yīng)力損失分別為81.60MPa、81.85MPa。

（2）計(jì)算有效預(yù)應(yīng)力，扣除上述預(yù)應(yīng)力損失，計(jì)算值為852.794MPa；預(yù)應(yīng)力度取值0.35，預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的總預(yù)拉力為506.16kN，鋼絲繩截面積為593.53m2，計(jì)算得出鋼絲繩根數(shù)為48根。

（3）在加固設(shè)計(jì)中，計(jì)算梁跨中正截面極限抗彎承載力值，為2 840.32kN·m，滿足加固設(shè)計(jì)規(guī)范要求；計(jì)算斜截面極限抗彎承載力，計(jì)算結(jié)果為685.27kN，滿足加固設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.1.2 預(yù)應(yīng)力布置形式

在腹板設(shè)置12根高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，采用兩段張拉設(shè)計(jì)，在原T梁上固定錨塊和轉(zhuǎn)向塊，用高強(qiáng)螺栓固定，張拉后將聚合物砂漿包裹到預(yù)應(yīng)力鋼絲繩外部[2]；底板分兩層各設(shè)置48根高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，采用單端張拉設(shè)計(jì)，一端為P錨，另一端為張拉端。

2.1.3 端部錨具設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼絲繩所受拉力設(shè)計(jì)張拉端部錨具尺寸，在不考慮鋼絲繩孔道凈截面積的基礎(chǔ)上，保證錨具尺寸達(dá)到鋼絲繩拉力要求；根據(jù)加固設(shè)計(jì)中預(yù)應(yīng)力鋼絲繩根數(shù)確定錨具截面尺寸；腹板錨具尺寸與底板張拉端的錨塊構(gòu)造形式相同[3]。

2.1.4 預(yù)應(yīng)力加固有限元分析

（1）采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)建模，假定鋼筋混凝土符合平截面要求、不考慮鋼筋受剪作用、鋼筋混凝土無相對(duì)移動(dòng)、新舊混凝土黏結(jié)面牢固；根據(jù)理想彈塑性確定鋼筋極限拉應(yīng)變值，取值為0.01。

（2）采用ANSYS模擬預(yù)應(yīng)力索，模擬方法為等效荷載法，不用考慮預(yù)應(yīng)力筋位置分布情況，建模步驟為：利用ANSYS完成混凝土建模、體外預(yù)應(yīng)力筋建模，分別劃分有限元網(wǎng)格；選取模型中預(yù)應(yīng)力筋的端點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)，將其與混凝土單元節(jié)點(diǎn)耦合；對(duì)節(jié)點(diǎn)施加預(yù)應(yīng)力荷載，程序自動(dòng)計(jì)入混凝土結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力鋼筋的相互作用力[4]。

（3）本工程的整橋有限元計(jì)算結(jié)果為：C30、C50混凝土彈性模量分別取值3.0×104、3.45×104，共劃分為114 000個(gè)單元映射網(wǎng)格；加固前，橋梁最大撓度為19.292mm，處于橋梁跨中處。加固后橋梁形成反拱，最大撓度為4.979mm，處于主梁跨中處?？梢?，主梁加固效果明顯；在加固前，縱橋向最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為8.478MPa、13.571MPa，大于C30混凝土極限拉應(yīng)力，易出現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)破壞。在加固后，縱橋向全截面都在受力狀態(tài)，最大拉應(yīng)力降至1.572MPa，在C30混凝土的抗拉應(yīng)力允許值范圍內(nèi)。

（4）本工程加固錨具的有限元計(jì)算結(jié)果為：腹板錨具在預(yù)應(yīng)力荷載作用下的最大主應(yīng)力為106.451MPa，最大變形為0.012mm，小于Q235鋼材屈服強(qiáng)度值；底板端錨最大主應(yīng)力為141MPa，最大變形小于0.1mm，小于Q235鋼材屈服強(qiáng)度值。可見，錨具的錨固效果明顯。

2.2 增大截面法加固設(shè)計(jì)

2.2.1 加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）根據(jù)加固構(gòu)件的尺寸、受力特點(diǎn)、加固目的等因素，確定截面增大加固形式，包括單層加固設(shè)計(jì)、雙側(cè)加固設(shè)計(jì)、三側(cè)加固設(shè)計(jì)、四周外包加固設(shè)計(jì)；根據(jù)鋼筋間距、保護(hù)層的構(gòu)造特點(diǎn)，確定截面增大的尺寸[5]。

（2）增大截面加固采用強(qiáng)度不小于C20的普通混凝土，本工程采用鋼筋纖維混凝土加固設(shè)計(jì)，配備鋼筋、型鋼和鋼板等鋼材。

（3）新澆混凝土厚度設(shè)計(jì)值不小于4cm，噴射混凝土厚度設(shè)計(jì)值不小于5cm；混凝土材料選用堅(jiān)硬碎石，最大粒徑不得超過2cm。

（4）縱向受力鋼筋、封閉式箍筋直徑分別不小于12mm、8mm，根據(jù)原有鋼筋直徑確定U型鋼筋直徑。

（5）在加固設(shè)計(jì)中，原構(gòu)件受力鋼筋與加固鋼筋的凈距離控制在2cm以內(nèi)，用焊接方式連接短筋，使加固后的構(gòu)件與原構(gòu)件共同受力[6]；采用短筋焊接加固受力筋時(shí)，短筋直徑不小于2cm，中距控制在50cm以內(nèi)。

（6）在混凝土圍套加固中設(shè)計(jì)封閉箍筋，采用U形箍筋，將其焊接到原箍筋上，雙面焊縫面積為箍筋直徑的5倍。

2.2.2 加固設(shè)計(jì)理論

（1）加固后的橫隔梁截面為組合截面，與原橫隔梁結(jié)構(gòu)相比存在一定差異。在加固結(jié)構(gòu)受力中，剪力和拉力是主要受力形式，通過新舊混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度承擔(dān)受力，使得黏結(jié)面成為加固結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)[7]。在設(shè)計(jì)中，需布設(shè)錨固件，將新舊結(jié)構(gòu)連接起來，保證結(jié)合面?zhèn)髁τ行А?/p>

（2）加固厚度設(shè)計(jì)對(duì)鋼筋混凝土梁的承載力會(huì)產(chǎn)生直接影響，加固厚度較大，會(huì)增加橫隔梁自重，降低加固效率。加固厚度較小，會(huì)使加固后的鋼筋無法達(dá)到預(yù)期的承載力要求。因此，加固厚度要根據(jù)新澆混凝土是否處于受壓區(qū)而定，充分發(fā)揮出新澆混凝土層的加固作用。

（3）根據(jù)工程實(shí)例研究證實(shí)，采用噴射法處理舊混凝土表面，能夠使混凝土表面達(dá)到較為理想的粗糙程度，減少機(jī)械鑿毛處理對(duì)結(jié)合面的擾動(dòng)，提高新舊混凝土的黏結(jié)性能，進(jìn)而提高加固部位的受力性能[8]。本工程采用噴射法處理結(jié)合面。

2.2.3 設(shè)計(jì)分析

本工程對(duì)橫隔梁加固采用增大截面法，具體設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）采用實(shí)體建模方式分析鋼筋和新舊混凝土數(shù)據(jù)，原橋梁采用C30混凝土，加固中采用C50混凝土，加固鋼筋選用HRB335級(jí)鋼筋，縱筋與箍筋直徑分別為16mm、12mm。

（2）采用SOLID45單元模擬混凝土，采用PIPE20單元模擬鋼筋，固結(jié)橫隔梁兩端，對(duì)橫隔梁施加荷載，生成加固后橫隔梁透視圖、邊形圖、主應(yīng)力分布圖，將其與加固前橫隔梁變形量、主應(yīng)力分布情況經(jīng)對(duì)比，結(jié)果為：在相同荷載作用下，加固后橫隔梁的最大拉應(yīng)力由加固前的0.316MPa、0.036MPa下降到0.099MPa、0.007MPa；加固后橫隔梁的最大位移由加固前的0.003 98mm降至0.000 95mm。可見，采用增大截面加固設(shè)計(jì)能夠顯著提升橫隔梁承載力。

2.3 橋梁預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)要點(diǎn)

2.3.1 預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固技術(shù)

在橋梁加固工程中，可以采用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固技術(shù)，為使該技術(shù)的作用得以充分發(fā)揮，應(yīng)掌握相關(guān)的技術(shù)要點(diǎn)，具體如下：

（1）對(duì)待加固的梁板表面上的劣化混凝土加以清除，使新的混凝土外露，銹蝕的鋼筋要做除銹處理，使用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)不平的部位，以灌漿的方法，封閉寬度大于0.15mm的裂縫，為確保灌漿質(zhì)量，可將優(yōu)質(zhì)的環(huán)氧灌縫膠作為首選；以表面封閉的方法，對(duì)寬度小于0.15mm的裂縫加以處理，并將粘貼鋼板部位的混凝土鑿除1.0cm左右，用專用的粘鋼膠粘貼鋼板，再以高強(qiáng)螺栓錨固鋼板，確保穩(wěn)固。

（2）依據(jù)鋼絲繩的根數(shù)及其能承受的拉力荷載，對(duì)端部錨具及轉(zhuǎn)向塊設(shè)計(jì)制作，為便于張拉錨固作業(yè)的開展，將外側(cè)做成開口的形式，開口比鋼絲繩的直徑略寬60.5mm[9-11]?？砂凑蘸附拥男枰_定錨具的厚度，并依據(jù)鋼絲繩承受的拉力確定錨具的寬度，以梁底的寬度確定錨具的長度。當(dāng)錨具與轉(zhuǎn)向塊根據(jù)設(shè)計(jì)要求全部制作完畢后，可以采用焊接的方法，將之固定在鋼板上。

（3）依據(jù)設(shè)計(jì)要求，在現(xiàn)場對(duì)梁段底板測(cè)量放線，準(zhǔn)確確定出端部錨具與轉(zhuǎn)向塊的中心線位置[12]。將錨座安裝在梁底，并將轉(zhuǎn)向塊安裝在梁中心線沿跨度方向的刻槽內(nèi)，刻槽深度以錨固鋼板能夠嵌入為準(zhǔn)，這樣能夠使梁底與鋼絲繩之間貼合得更加緊密。對(duì)刻槽處打磨，使其形成粗糙的表面，按設(shè)計(jì)圖紙中給出的位置鉆設(shè)植筋孔，并向孔內(nèi)植入全螺紋錨桿。隨后對(duì)錨固鋼板的粘貼面全面打磨，并將預(yù)先準(zhǔn)備好的粘鋼膠均勻涂抹在打磨好的鋼板表面及混凝土面上，按預(yù)定位置粘貼鋼板，貼好后緊固螺母，使鋼板固定。

（4）鋼絲繩要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙給出的尺寸下料，下料長度可以通過工作應(yīng)力計(jì)算結(jié)果加以確定[13]。在腹板底面上，布設(shè)兩層鋼絲繩，每層12根，并在腹板兩側(cè)各布設(shè)12根鋼絲繩。安裝好梁底錨座后，以同規(guī)格的鋼絲繩作為基準(zhǔn)鋼絲，按張拉控制應(yīng)力與引伸量的關(guān)系，對(duì)鋼絲繩在無應(yīng)力狀態(tài)下的下料長度精確確定?？稍诶o但無應(yīng)力的狀態(tài)下對(duì)鋼絲繩下料，誤差控制在±3.0mm以內(nèi)；在端部將鋼絲繩彎折為雙股，穿入擠壓錨頭的內(nèi)孔中，用專門設(shè)計(jì)的擠壓模具和機(jī)械，完成強(qiáng)力擠壓，使錨頭與鋼絲繩壓為一體。

（5）將鋼絲繩的一端穿入錨具的開口內(nèi)，張拉另外一端，當(dāng)張拉的長度滿足錨具間距的要求時(shí)，可直接將鋼絲繩從錨具的開口處嵌入，隨后錨固擠壓錨頭。張拉過程中，應(yīng)遵循對(duì)稱的原則，從中間向兩側(cè)對(duì)稱張拉，避免結(jié)構(gòu)在張拉力的作用下產(chǎn)生扭曲、側(cè)彎等問題，兩側(cè)鋼絲繩的數(shù)量差最多不得超過3根。張拉時(shí)，應(yīng)對(duì)每根鋼絲繩的張拉應(yīng)力密切關(guān)注，防止拉應(yīng)力過大或是過小。螺栓植入混凝土的深度應(yīng)達(dá)到7.0cm以上，鉆設(shè)植筋孔時(shí)，要避開主筋。

2.3.2 加大截面加固技術(shù)

（1）為使新舊混凝土之間的結(jié)合更加緊密，可對(duì)原結(jié)構(gòu)中的混凝土缺陷加以處理，使其露出密實(shí)的部分，隨后對(duì)混凝土構(gòu)件表面鑿毛，可以鑿成深度為6.0mm左右的溝槽，間距控制在200mm以內(nèi)，不得超過箍筋的間距。采用多面外包加固的方法時(shí)，要在加固前將加固構(gòu)件的棱角全部敲掉。

（2）對(duì)受力鋼筋除銹，若是條件允許，則可在受力鋼筋施焊前，通過卸荷或是支頂措施，逐根焊接，這樣能夠減少鋼筋熱變形，降低對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響。沖洗混凝土表面，去除污物和灰塵，新混凝土澆筑前，應(yīng)對(duì)原混凝土表面用界面劑處理，增強(qiáng)新舊混凝土的結(jié)合性。

（3）外包加固要采取相應(yīng)的措施，確保模板搭設(shè)、鋼筋安放及混凝土澆筑質(zhì)量合格，從而使混凝土達(dá)到密實(shí)。澆筑混凝土后，要按照規(guī)范要求養(yǎng)護(hù)，時(shí)間不少于14d，養(yǎng)護(hù)后，能夠降低早期開裂的產(chǎn)生概率[14]。

3 結(jié)語

本工程預(yù)應(yīng)力的布置形式是在腹板設(shè)置12根高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，采用兩段張拉設(shè)計(jì)，在原T梁上固定錨塊和轉(zhuǎn)向塊，用高強(qiáng)螺栓固定，張拉后將聚合物砂漿包裹到預(yù)應(yīng)力鋼絲繩外部；底板分兩層各設(shè)置48根高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，采用單端張拉設(shè)計(jì)，一端為P錨，另一端為張拉端。

公路橋梁加固要充分考慮原橋梁使用性能采用技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的加固設(shè)計(jì)方案，提高整座橋梁的承載能力[15]。在加固設(shè)計(jì)中，合理采用預(yù)應(yīng)力筋加固技術(shù)，借助ANSYS有限元計(jì)算程序?qū)庸淘O(shè)計(jì)方案建模分析，優(yōu)化預(yù)應(yīng)力布置和端部錨具設(shè)計(jì)，以保證預(yù)應(yīng)力加固效果。