外預應力索在舊橋加固中的應用

卯明鋒

摘要：預應力體外索加固梁式橋上部，是當其存在結構缺陷，尤其是承載能力不足或需提高其荷載等級，即需要對橋梁主要受力結構進行加固，可在梁體（梁底與梁兩側）設置鋼筋、鋼絲束或鋼絞線，并施工預應力，以改善橋梁的受力狀況，達到提高橋梁承載能力的目的。

關鍵詞：連續剛構；體外索；加固

一、引言

隨著國民經濟的發展，我國交通事業也在快速發展，越來越多的重型車輛出現，橋梁負荷日趨加重。由于歷史和資金的原因，我國大部分上個世紀修建的橋梁仍在使用，其設計荷載偏低、橋梁寬度偏小，這些橋梁已成為交通運輸中的潛在隱患。對這些舊橋、危橋如要全部推倒重建，既不科學，也不經濟，更不現實。所以，必須重視對舊橋、危橋的加固維修，提高其承載力及耐久性，研究有關的維修與加固方法是十分必要及迫切的。

二、體外預應力索加固技術簡介

預應力體外索加固梁式橋上部，是當其存在結構缺陷，尤其是承載能力不足或需提高其荷載等級，即需要對橋梁主要受力結構進行加固，可在梁體（梁底與梁兩側）設置鋼筋、鋼絲束或鋼絞線，并施工預應力，以改善橋梁的受力狀況，達到提高橋梁承載能力的目的。

體外預應力系統由四個基本部分組成：體外預應力所（簡稱體外索）、錨固系統、轉向裝置及防腐系統。體外預應力系統的基本組成如圖1所示。

體外預應力技術使用范圍十分廣泛，可以應用在新建的工程，更適用于舊橋結構的改造與加固。體外預應力索應用在舊橋加固工程中有以下優點：

1、與混凝土無粘結，由荷載產生的應力變化分散在預應力筋全長上，應力變化值小，對結構受力有利。

2、索力根據情況可以進行調整，預應力索可以更換，便于使用期間維護。

3、在自重增加很小的情況下可大幅度改善和調整原結構的受力狀況，提高結構剛度和承載力。

4、施工快速，加固時不影響或少影響交通，較少交通壓力。

5、體外預應力索在工廠定制，設備成套，質量有保證。

三、體外預應力加固設計計算步驟與方法

1、計算求出被補強構件提高荷載等級前所受荷載及其引起的內力。

2、計算提高荷載標準后的活載內力，并由恒載與活載的組合來驗算加固的必要性。

3、由上面兩項之差得出內力的提高值，估算出補強拉桿應有的橫截面面積。

4、計算和確定拉桿所必須的張拉力和引伸量。

5、承載力驗算。按設計規范驗算被加固梁在跨中和支座截面的偏心受壓承載力，以及支座至拉桿彎折處或支座范進的斜截面承載力。

6、計算確定施工中控制張拉時需要的控制量。

四、工程實例

該連續剛構橋于1994年10月建成通車，主橋跨徑組合為（45+2×75+45）m，為預應力混凝土連續剛構梁橋；引橋為預應力混凝土簡支T梁。橋面總寬18.0m，雙向四車道，橋面布置為0.5m（防撞護欄）+17.0m（行車道）+0.5m（防撞護欄）。設計荷載：汽-20級，掛-100。

主橋上部結構變截面單向（縱向）預應力混凝土連續剛構橋，采用懸臂澆筑方法施工。上部箱梁分為左右幅采用單箱單室直腹板箱梁，左右幅翼緣板各預留0.5m現澆段，將左右幅相連成整體。箱梁根部梁高4.26m，跨中梁高2.18m，頂板寬9.0m，底板寬5.0m，懸臂2.0m。墩頂腹板厚50cm，跨中腹板厚20cm，腹板厚度漸變段長度50cm。箱梁頂板厚20cm，底板厚為20～60cm。

該橋竣工交付使用以來，大橋交通量增長迅速，由于養護不當，超載車較多等因素，主橋箱梁頂板底面存在眾多縱向裂縫，主要集中在箱梁中線附近；箱梁內側腹板幅腹板共發現多條斜向裂縫，大部分位于10#施工節段附近；箱外腹板發現斜向、豎向裂縫，未裂穿腹板；箱梁第14#～17#跨箱內橫隔板均出現豎向裂縫，主要分布于橫隔板人洞頂部。

根據橋梁現狀病害情況，結合計算，找出病害產生的原因，有針對性的選用加固方案。

1、對原結構設計進行復核驗算（按85規范）

1）、計算荷載

一期恒載：包括主梁。橫隔板作為外部荷載考慮，不參與結構受力。

二期恒載：橋面鋪裝、防撞欄等。

本橋基礎為鉆孔灌注樁，連接墩按沉降1cm，主墩按沉降2cm計，取最不利沉降組合。

檢算荷載：汽車-20級、掛車-100。

溫度作用

（1）整體溫差：升溫15℃，降溫20℃；

（2）局部溫差：按橋面板范圍內±5度考慮。

2）、計算結果

計算結果表明，原橋基本能85規范A類構件的要求。

（1）主梁各截面的內力均小于結構抗力，承載能力滿足規范要求。

（2）主梁正應力、主應力均小于規范限值，滿足A類預應力混凝土構件要求。

2、對現狀橋梁復核驗算（按85規范，溫度梯度采用04規范，并考慮結構破損）

對現狀橋梁復核驗算是指根據檢測報告結果和新規范（新規范對溫度梯度的作用要求更高），考慮截面剛度折減和應力折減后對結構進行驗算。

1）、計算荷載

檢算荷載：汽車-20級、掛車-100。

溫度作用

（1）整體溫差：升溫15℃，降溫20℃；

（2）局部溫差：按04規范梯度溫度考慮。

2）、計算結果

（1）主梁各截面的內力均小于結構抗力，承載能力滿足規范要求。

（2）法向拉應力在組合Ⅱ作用在，中跨跨中底板和邊跨靠連接墩范圍頂板拉應力達到4.0Mpa，不滿足85規范要求（≤2.4Mpa）。

（3）主拉應力在荷載組合Ⅱ作用下，中間跨跨中底板和邊跨靠連接墩范圍頂板主拉應力達到4.0Mpa，不滿足85規范要求（≤2.4Mpa）。另外10～12梁端附近主拉應力也較大。

上述兩次計算結果表明：

（1）、最大主拉應力顯著增大，主拉應力在跨中范圍內較大，但與正應力方向相同。10～12號梁段附近主拉應力方向為斜向，且值較大，與結構實際發生裂縫的位置接近。

（2）、最大正拉應力顯著增大。正拉應力主要發生在中間跨跨中底板和邊跨靠近連接墩梁的頂板內。經查，與國內近期一些橋梁設計相比，原橋中跨底板束較弱，在邊跨梁端附近頂板未設置頂板束。

（3）、計算結果變化方向相同，應力結果相差不大，應力增大基本是由溫度梯度引起的。橋梁病害往往是多種因素造成的，規范體系只是其中之一，現場看該橋重車較多，橋面鋪裝多次維修，行車不夠平順；箱梁10～12號梁段處腹板設計厚度僅30厘米，沒有腹板束，構造騙弱；橋梁頂底板厚度均偏小，截面整體剛度騙弱。在多種因素共同作用下，出現了10～12號梁段的斜裂縫。

根據以上分析可知，加固方案應從以下兩個方面入手。

（1）、盡量減少溫度梯度的影響，適當增加瀝青鋪裝厚度。

（2）、采用合理的加固措施減小拉應力，施加體外束。注意體外束應盡量避免增加墩頂附近壓應力較大區域的負擔。

主橋箱梁體外索加固布置如圖2所示

圖2 體外預應力索布置圖

體外索采用7根Φ15.24鋼絞線組成一束的成品索，符合行業標準《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》（GB/T18365-2001）的規定。

4、加固方法及加固后驗算

根據以上研究分析，主橋箱梁加固采用體外預應力束加固方法。本次考慮加固措施后采用85規范計算，荷載基本采用89通用規范體系，溫度梯度采用04規范。計算考慮結構破損對承載力和應力影響，承載能力計算考慮了截面剛度折減，應力計算考慮了預應力折減。

結果如下：

計算表明，加固后主橋應力顯著改善，荷載組合Ⅱ作用下中跨跨中底板和邊跨靠連接墩范圍頂板未出現拉應力，主拉應力降低到1.4Mpa，滿足85規范的各項指標要求，梁體應力狀況顯著改善，達到預期的設計要求。

五、體外索施工

體外索均成直線布置，采用兩端張拉，箱梁兩側對稱張拉。鋼束張拉采用張拉力與引伸量雙控，以引伸量校核。張拉控制應力為0.65fpk=1209MPa。

體外索施工工藝流程：

施工準備→下料、放線架安裝→臨時支撐裝置安裝→穿索通道檢查、清理→穿索→錨具安裝→張拉→拆除穿索工裝→限位裝置固定→切鋼絞線、端部防腐、安裝保護罩。

六、結束語

體外預應力加固是對舊橋結構施加體外預應力索，以預加力產生的反彎矩抵消部分外荷載產生的內力，它可以改善舊橋應力狀況、提高承載能力、降低鋼筋應力幅值及控制裂縫發展，增加結構的使用年限和耐久性，加固效果好且經濟性較好，是一種十分理想的加固方法，具有廣闊的發展前景。

參考文獻：

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