預應力空心板加寬橋體外局部橫向預應力加固探析

劉振廷，孫 瀟

（駐馬店市公路規劃勘察設計院，河南 駐馬店 463000）

新舊橋間橫向聯系薄弱是造成加寬橋梁新舊橋交接處舊橋邊板單板受力的原因之一。在高速公路改擴建中，體外橫向預應力被用來提高空心板橋的橫向聯系[1]，陳淮等采用有限元法對此進行了計算分析[2,3]。理論分析和工程實踐均證明該方法能夠有效防治空心板橋單板受力現象。加寬橋梁一般寬度較大，而該方法對窄橋較為有效[3]，因而本文結合實際工程，在新舊橋連接處施加局部體外橫向預應力，并對其進行有限元分析，研究該方法的可行性，為同類橋梁加固提供參考。

1 工程概況

本文選取京珠高速公路安陽新鄉段加寬工程一期工程中某橋進行分析。該橋交叉角度為90°，1×16m，計算跨度15.5m，原橋寬度2×12.0m，配置有普通鋼筋φ16，9根/板，預應力鋼筋采用型號為的鋼絞線，每根鋼絞線張拉力為160.88kN，18根/板。加寬寬度為2×8m，預應力鋼筋均采用270級φs15.2mm高強度低松弛鋼絞線，標準強度為1860MPa，每根張拉力為195.3kN，22根/板，加寬橋面寬度2×8m。整橋空心板橫斷面見圖1，混凝土鋪裝層厚度為80mm，下部橋臺樁柱式臺，橋墩是柱式墩。將橋梁上部的鋼筋混凝土彈性模量采用鋼筋與混凝土的折算彈性模量考慮普通鋼筋的影響。采用實體建模計算。為便于計算，選取一跨上部結構進行計算，預應力空心板施加空間簡支約束，模型如圖2所示[4]。

圖1 整橋空心板橫斷面圖

圖2 整橋上部計算模型

1.1 檢驗荷載

選用對S7最不利布置的5輛車加載作為加固計算荷載。

1.2 加固措施

加固措施具體包括如下幾個方面：

a）橫向預應力索的位置 順橋向距端部1m、4.9m、9.8m間距對稱布置5根預應力索；

b）加橫向預應力 預應力張拉大小，對預應力空心板橋加固效果影響不大，實際張拉應力應不小于考慮預應力損失后的鋼絞線標準強度的40%[2]，采用的1860級1×7-φj15單根預應力鋼絞線，每根鋼絞線張拉力取為169.2kN即可，張拉時鋼鉸線伸長量誤差控制在±5%以內[5]；

c）埋件設置 在橋梁縱向跨中位置S5、S9，其余預應力鎖位置的S6和S8的側面，用專用粘結劑粘貼鋼襯板，如果空心板縫間距不夠，可以適當磨除部分空心板保護層內的混凝土，同時鋼絞線上部對應的空心板板縫采用灌縫材料灌注密實；

d）防腐處理 預應力束外加套管，套管與襯板連接處用熱縮套封死，錨具與端頭鋼束用填滿防腐油脂的保護罩防護；

e）鋪裝處理 分別以新舊交接部位為中心，向新舊橋方向各鑿除80cm長鋪裝，處理銹蝕鋼筋并鋪設一層與新橋鋪裝一致的鋼筋網搭接新舊橋鋪裝，最后并澆注與新板鋪裝一致的鋼纖維混凝土進行維修，為增強局部加固處整體性。

2 加固機理

采用在裝配式空心板橋的板底增設橫向體外預應力筋、改造橋面混凝土鋪裝層，對裝配式預應力混凝土空心板橋進行加固，使空心板的橫向下緣混凝土處于受壓狀態，從而平衡橫向彎矩；變鉸接板結構形式為剛接板結構形式，使空心板間可以同時傳遞豎向剪力和彎矩，以增強裝配式空心板橋的橫向聯結能力，改善活載的橫向分布狀況，有利于各空心板共同分擔車輛荷載，可提高裝配式預應力混凝土空心板橋的整體承載能力[1,3]。

3 有限元分析建模

該橋有限元模型及其中各參數的取值參照文獻[4]進行，為便于計算，同樣選取一跨，僅模擬計算上部結構。體外預應力筋屈服強度fy=1860MPa；泊松比ν=0.3。預埋鋼板的彈性模量E可取實際值的20倍，相當于其彈性模量無窮大，不考慮其變形[6,7]。

4 加固效果分析

4.1 橫向分布曲線及橫向分布系數

荷載橫向分布影響線的平緩變化趨勢體現了板間的橫向連接情況，能反映空心橋的橫向加固效果，故采用荷載橫向分布影響線來評價粘鋼加固裝配式空心板橋的加固效果。采用橋梁實體模型計算各工況整橋各板橫向分布系數[2]，其中S7板各工況下橫向分布系數值如圖3所示，顯然S7板加固后消除了單板受力的不利影響，使得整橋荷載橫向傳遞趨于平緩。圖4說明加固后各板橫向分布系數較修復前平緩，荷載橫向傳遞較為均勻。

圖3 各工況下7號板橫向分布影響線圖

圖4 5輛車作用下各板荷載橫向分布系數

4.2 最不利加載下各板位移

計算各工況下，對S7最不利的5輛車布置時各板的位移分布情況，結果如圖5所示。可見，單板受力后，橋梁橫向傳力體系被破壞，舊橋各板位移均比正常情況下有所增加，粘鋼加固修復后，各板間橫向傳力機制恢復，各板位移與未損壞時基本相同。

圖5 單板受力時、正常情況下和加固后各板跨中位移

4.3 新舊連接鋪裝應力情況

加固后，鋪裝在對S7的5輛車最不利布置荷載作用下，新舊交接處最大橫向拉應力分布在端部和四分之一處兩道體外預應力鋼筋之間的鋪裝底部，其值是3.46MPa。縱向和豎向應力基本為壓應力，拉應力較小可以忽略。可見，體外局部預應力較好地平衡了橫向彎矩，新舊交接處鋪裝橫向應力降低較多，采用鋼纖維混凝土可以防止鋪裝開裂，有效保護橋梁正常運營。

5 結語

施加局部橫向預應力加固裝配式預應力空心板擴寬橋新舊交接部位，能有效改善荷載橫向分布，增強空心板橫向連接，加固效果顯著。體外橫向預應力可以降低橋梁新舊交接處鋪裝混凝土的拉應力。

[1]梁全富，邵景干.體外橫向預應力加固簡支空心板梁橋技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2]陳淮，張云娜.施加橫向預應力加固裝配式空心板橋研究[J].公路交通科技，2008，25（10）：58-62.

[3]陳淮，張云娜，葛素娟.橫向體外預應力加固裝配式空心板橋的探討[J].鐵道科學與工程學報，2008，（6）：22-25.

[4]陳記豪，趙順波，姚繼濤.既有預應力空心板橋加寬設計的荷載橫向分布計算方法[J].工程力學，2012，29（9）：265-271.

[5]李友好，趙豫生.某病害橋橫向體外預應力加固實踐[J].重慶交通學院學報，2005，（2）：18-21.

[6]余海堂，何震.ANSYS在體外預應力混凝土結構非線性分析中的應用[J].建筑技術開發，2007，（6）：3-5.

[7]王宗林，于振剛，趙永剛.ANSYS在體外預應力混凝土簡支梁非線性分析中的應用[J].中外公路，2008，28（4）：111-113.