淺談體外預應力在舊橋加固中的應用

李金龍 慕玉坤

（1、蘇州交通工程集團公司三佳交通預應力有限公司，江蘇蘇州2151282、西安瑞通路橋科技有限責任公司，陜西西安710075）

1 概述

某橋是1953年根據前蘇聯“橋涵標準圖”設計修建的雙孔單懸臂鋼筋混凝土簡支梁橋。全橋分孔為2×[12.9m(懸臂)+ 33m]，中跨主梁高度為2.5m，邊跨主梁懸臂端高度為1.0m，懸臂根部高度為2.5m。下部結構為重力式墩臺，木質群樁基礎。橋面寬度為凈-7+2×0.75m人行道。原橋設計荷載等級為汽-10級，拖-60。

2000年對該橋進行了加固處理，加固后該橋由原來的單懸臂簡支梁橋改變成了四跨連續梁橋。設計荷載等級提高為汽車-20級，掛-100。但由于超載車輛較多，車流量較大，在2004年末又出現以下病害:主梁多處存在裂縫，且大部分屬于受力裂縫，最大裂縫寬度達0.5mm，最大裂縫長度達1.3m；兩中跨間墩頂處后澆段混凝土與原梁端結合面下緣被拉裂，縫寬達5mm；根據檢測，該橋的主梁混凝土強度為20.2Mpa；恒載作用下的中跨跨中撓度達3.3cm，在加載荷載作用下的跨中撓度達7.46mm(大于理論計算值6.50mm)。

2 橋梁結構計算分析

2.1 主要材料特性

2.1.1 混凝土。鑒于主梁混凝土實測立方體強度為20.2Mpa，計算參數取用如下：彈性模量3.0×104Mpa，容重25kN/m3，熱膨脹系數1×10-5，標準抗壓強度14Mpa。

2.1.2 鋼筋。鑒于實測碳化深度最大值僅為5mm，且鋼筋銹蝕情況不明，計算時假設鋼筋沒有發生銹蝕，按鋼筋全斷面工作考慮，鋼筋的標準強度取240MPa。

2.2 結構體系

本橋為曾加固過橋梁，加固前為帶外伸懸臂的簡支體系，加固時對該橋進行了體系轉換，變為連續梁，由于兩中跨間墩頂主梁的固結情況不理想，故此處對加固后的橋梁按兩跨連續梁進行考慮。

2.3 驗算內容

綜合考慮該橋目前病害，利用橋梁結構通用分析程序進行結構驗算，驗算的主要內容如下：(1)橋梁結構的極限承載能力驗算；(2)橋梁結構的裂縫驗算；(3)橋梁結構撓度驗算。

2.4 結構計算模型

鑒于該橋在加固前后結構體系發生了變化，且病害較多，為了找出產生病害的根本原因，對橋梁內力此處按兩跨連續梁進行計算，如圖2-1和圖2-2所示。其中，圖2-1所示的簡支梁計算模型為加固前的橋梁計算模型，該階段橋梁僅承受自身恒載；圖2-2所示的連續梁計算模型為加固后的橋梁計算模型，該階段橋梁主要承受二期恒載及活載。

圖2-2 兩跨連續梁計算模型

2.5 結構分析結論

2.5.1 在汽車-20級荷載作用下，橋跨結構的跨中撓度能夠滿足正常使用要求。

2.5.2 在恒載和汽車-20級荷載共同作用下，橋跨結構的裂縫寬度能夠滿足正常使用要求。在組合恒載和掛-100荷載荷載共同作用下，除邊跨L/4截面的裂縫寬度(0.3mm)不能夠滿足正常使用要求外，其它截面的裂縫寬度均能滿足正常使用要求。

2.5.3 在恒、活載的共同作用下，橋跨結構除中跨5L/8截面和次中墩支點截面的抗彎極限承載能力能夠滿足設計要求外，其余各截面的抗彎、抗剪，次中墩截面的抗剪均不能滿足現行荷載的運營要求。其最小的Mu/Mj值為0.617，最小的Qu/Qj值為0.514。

3 加固方案設計

3.1 加固方案

方案一：

（1）為了改善橋跨結構的受力狀態，對其內力進行重新分配，在橋跨結構施加體外預應力：中跨每個腹板兩側分別施加一束9φj15.24mm的鋼絞線束，邊跨每個腹板兩側分別施加一束7φj15.24mm的鋼絞線束。

（2）為了提高橋跨結構在新、老橋結合墩支點截面及次中墩支點截面的抗剪極限承載能力，在邊跨邊支點截面3m范圍內粘貼兩層0.167mm厚的碳纖維布，在次中墩支點截面8m范圍內粘貼兩層0.167mm厚的碳纖維布。

方案二：

（1）為了提高橋跨結構正彎矩區段及的抗彎極限承載能力和支點截面的抗剪極限承載能力，在主梁梁底正彎矩區段每隔21.5cm粘貼一道15cm寬、1.2mm厚的碳纖維板，在主梁腹板全橋范圍粘貼兩層0.167mm厚的碳纖維布(支點附近)和一層0.572mm厚的芳綸纖維布 (支點以外其它部分)。

（2）為了提高主梁在負彎矩區段(次中墩支點截面)的抗彎極限承載能力，在主梁支點截面10m范圍內張拉預應力，每個腹板兩側分別張拉一束5φj15.24mm的鋼絞線束。

3.2 結構驗算

3.2.1 方案一改善了結構受力，加固后的橋跨結構在各主要受力截面的極限承載能力均可以滿足設計要求，且具有一定的安全儲備，其最小的Mu/Mj值為1.549，最小的Qu/Qj值為1.383。

3.2.2 方案二提高了橋跨結構的承載能力，加固后的橋跨結構在各主要受力截面的極限承載能力均可以滿足設計要求，且具有一定的安全儲備，其最小的Mu/Mj值為1.320，最小的Qu/Qj值為1.148。

3.3 方案比較

3.3.1 方案一從改善結構受力的角度出發，使得各主要受力斷面的結構內力大幅度降低，方案二從提高結構抗力的角度出發，使得結構的極限承載力得到大幅度提高。

3.3.2 方案一可以使主梁產生1cm的預拱度，降低主梁中垮的撓度值，部分改善橋面線型，方案二不具有此優點。

3.3.3 方案一由于采用預應力進行加固，屬主動加固措施，可以部分恢復現有裂縫及減小裂縫寬度，對改善橋跨結構的剛度有所幫助，方案二屬被動加固措施，且碳纖維材料對主梁剛度幾乎沒有貢獻。

3.3.4 二者的造價差異較大，方案一為103.2萬元，方案二為150.4萬元，后者約為前者的1.46倍。

3.3.5 方案一施工較方案二復雜，但二者的施工工期相當，基本在2個月內可以完成加固施工并恢復交通。

通過上述分析比較，此處認為本橋宜采用體外預應力進行加固處理。

結語

①對于極限承載能力欠缺較大的橋梁，一般通過被動加固措施來提高其極限承載能力很難達到理想的加固效果，此時，最好是通過改善結構受力來對橋跨結構進行加固處理。

②體外預應力技術作為一種工藝相對較為成熟的主動加固措施，可以顯著地改善結構受力，使結構內力得以再次重新分配，其加固效果顯著。

③體外預應力技術雖然有其獨特的優越性，但也有其自身的弊端，如預應力的松弛、疲勞等，故在采用體外預應力進行加固時，預應力束的張拉控制應力最好不要超過其極限強度的60%，且應盡量保證每跨的預應力束單獨受力，不發生相互干擾，即盡量采用短束而避免采用通常束。

[1]魏書華，梁忠寶.預應力法加固舊橋的技術分析[J].河北工業科技，2007.

[2]李學金.體外預應力加固鋼筋混凝土舊橋的應用研究[J].天津大學，2007.