某T構橋體外預應力及粘鋼板綜合法加固及效果

俞好愛，羅小秀，李德慧

(江西省交通科學研究院，江西南昌 330038)

近年來我國修建了大量的預應力混凝土T構橋梁、大跨連續橋梁，這些橋竣工交付運營后，部分出現了跨中持續下撓，結構腹板、頂板和底板混凝土開裂等病害，引起了橋梁管養、科研、設計人員的重視，從設計、計算、加固等角度提出了許多寶貴措施和意見(如體外預應力、粘貼纖維布、粘貼鋼板等)。本文就體外預應力及粘鋼綜合加固法應用于某T構橋加固作簡單介紹，并對實橋進行了試驗研究和理論分析，就加固后的橋梁狀況進行了評價。對體外預應力及粘鋼綜合法用于大跨預應力混凝土病害橋梁的適用性和加固方法的優缺點進行了簡單分析。

1 工程概況

1.1 原設計簡介

大橋跨徑布置為(35+60+90+60+35)m(雙幅)，全長280 m，是一座混凝土連續剛構組合橋，見圖1。單幅橋面凈寬為凈10.5+2×0.75 m。橋梁設計荷載為汽車超-20，掛車-120，人群3.5 kN/m。上部結構采用單箱室箱梁，箱梁采用C50混凝土，墩頂箱梁高度為5.0 m，跨中高度2.0 m，其間的梁高在縱橋向按2.0次拋物線變化。箱梁原設計設置縱、橫、豎三向預應力。下部結構主墩為兩個薄壁雙柱式墩，其截面尺寸為1.2 m×7.0 m，縱向中心距4.8 m。

1.2 加固前存在的病害

圖1 橋梁立面示意(單位:cm)

該橋建成運營9年后檢查發現:①橋梁中跨跨中出現了下撓10 cm，且在發展中。②橋梁腹板邊跨、次邊跨及中跨在其四分點12.3 m范圍內(5～7號塊)，均出現了大量斜裂縫，裂縫寬度多介于0.1～0.2 mm之間，約45°方向，最大裂縫寬度1.5 mm，表現為明顯的主拉應力致開裂特征。③底板距離中跨合龍段兩端各2 m范圍內，下緣出現了數道橫向通縫。其中合龍段內有三道寬度＜0.1 mm橫向裂縫，合龍段兩端約2 m范圍內各有三道寬度約0.2～1.0 mm的裂縫已延伸到腹板承托部位，這些裂縫有明顯的受彎開裂特征。次邊跨及中跨的主梁底板下緣，從四分點到跨中范圍內，出現了對稱于跨中斷面大致與梁底板中心線呈45°方向的斜裂縫，且斜裂縫在橫向對稱于底板中心線，裂縫寬度在0.1～0.2 mm之間，最大裂縫寬度為0.5 mm，系預應力錨固、平彎等引起。④箱室內頂板兩條裂縫(距離腹板約1.2 m)自中跨合龍段延伸到墩頂，并穿過墩頂進入次邊跨，到達次邊跨的合龍段端部。

1.3 主要加固措施

在病害檢查、荷載試驗、理論分析基礎上，對橋梁采取加固措施如下:①箱內設置體外預應力筋提高結構的正截面抗彎承載力，同時抵抗由于腹板、底板粘貼鋼板、中跨跨中范圍找平所增加的荷載。②腹板采用粘貼鋼板法或進行加固補強，抵抗主拉應力，控制裂縫發展，提高結構的耐久性;施加體外預應力，通過設置跨內轉向肋，使體外索提供預剪力，從而增強腹板的抗主拉應力能力。③粘鋼板提高合龍段及兩側連接剛度，恢復其剛接狀態。④對開裂寬度＞0.15 mm的腹板、頂板、底板裂縫注漿，寬度＜0.15 mm裂縫表面封閉。⑤橋面鋪裝采用鋼纖維混凝土，并設置雙層鋼筋網。橋梁體外預應力加固縱向布置如圖2所示。

圖2 主梁縱向體外預應力筋布置示意(單位:cm)

2 理論分析

橋梁理論分析主要采用橋梁博士有限元程序進行?？紤]使用階段體外預應力束轉向點滑移可能性，分別采用體外索轉向點剛接模型和無摩擦滑移模型，計算加固后結構試驗荷載下的受力性能;粘貼鋼板作為附加截面與原截面做整體截面考慮。動力特性分析采用ansys程序。

3 加固前后受力性能試驗對比評價

3.1 試驗內容、參數

本橋加固前后，為掌握橋梁承載能力狀況，進行了荷載試驗。主要試驗內容有:主跨正彎受力控制截面受力最不利加載(試驗1)，次邊跨正彎受力控制截面受力最不利加載(試驗2)，主跨P4墩頂主梁負彎控制截面受力最不利加載(試驗3)，P5墩頂主梁負彎控制截面受力最不利加載(試驗4)以及橋梁動力試驗(試驗5)。

試驗測試參數有:各靜載試驗測試結構變形最大部位的撓度、控制截面的應力、結構原開裂部位的裂縫變化、體外索張力變化(加固后試驗);動載試驗測試結構豎向振動頻率、阻尼比等。

3.2 試驗結果及分析

橋梁加固前后對橋梁進行荷載試驗的結果見表1和表2。測試過程未見體外預應力筋伸長和轉向塊滑移。理論分析僅給出體外索與轉向塊固結模型結果。

表1及表2中，εs為實測測點應變，εl為測點處理論應變，fs為控制截面實測撓度，fl為控制截面理論撓度，η為效驗系數，W為荷載下裂縫寬度變化。

由表中數據可以看出:加固前結構試驗荷載下裂縫明顯開展，撓度效驗系數1.40以上，實測結構基頻較理論值和竣工值明顯偏小，表明病害使加固前結構的整體受力性能出現了嚴重下降。加固后荷載試驗跨中撓度校驗系數為0.52～0.90，結構豎向抗彎剛度顯著提高，應力校驗系數較加固前結構也恢復正常。加固后結構實測豎向一階頻率1.650 Hz，大于理論分析頻率值1.608 Hz，說明加固后的結構整體抗彎工作性能得到了較好的恢復。實測加固后結構體外索未發現有明顯的索力變化，表明運營階段本橋體外索對結構承擔運營活載貢獻甚微。

表1 加固前荷載試驗控制斷面加載結果

表2 加固后荷載試驗控制斷面加載結果

4 加固方法適用性及優缺點

通過應用體外預應力及粘鋼板綜合加固法處理本橋的病害問題，總結本加固方法適用性及優缺點如下:

1)體外預應力方法加固適用于橋梁內力狀態不合理，適合通過預應力改變結構內力的病害橋梁，其優點是能改善結構恒載內力狀態，缺點是運營階段體外束承擔活載的作用不明顯;

2)粘鋼法加固適用于結構本身因病害、設計、施工等原因造成的結構截面承載力不足類橋梁的加固，優點是改善橋梁運營階段受力，其缺點是不能有效改善結構恒載內力狀態，增加結構自重。

5 結論及建議

1)通過使用體外預應力、粘鋼板綜合法加固，本橋病害得到較好的治理，結構內力狀態、動力及靜力工作性能得到改善，承載能力提高明顯，試驗結果表明達到了加固的預期目的。

2)采用體外預應力加固橋梁，因體外索運營階段增量微小，該階段設計可不考慮體外索對承擔活載的貢獻。

3)三向預應力混凝土大跨連續梁或T構橋腹板因主拉應力原因開裂，多因豎向預應力損失過大引起，通過粘鋼法和縱向布置體外預應力加固的措施有待改進，建議通過施加縱向體外預應力和豎向體外預應力及綜合措施，改善此類病害橋梁的腹板主應力狀態，以避免設置過多縱向體外預應力鋼束。

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