淺談體外預應力技術加固T型剛構橋的研究

【摘要】隨著科學技術的進步，體外預應力加固這項新技術廣泛應用于土木工程中。通過介紹體外預應力加固某T型剛構橋的效果，為今后的研究提供參考和依據。

【關鍵詞】體外預應力；結構；技術

1、緒 論

體外預應力技術是指將預應力筋布置在結構構件截面之外的預應力技術。從上個世紀70 年代末期[1]，向結構施加體外預應力的技術開始大量應用于工程中。采用體外預應力加固的技術是一種主動式的補強加固技術，它主要有以下優越性[2]：（1）預應力布置簡單，可以調整，簡化了操作程序，體外預應力筋可根據情況調整應力；（2）體外預應力鋼束布置于截面混凝土之外，可減少結構的自量，減少摩擦阻力產生的預應力損失，改善結構梁體的應力狀態，提高承載能力。

本文通過選擇以某T型剛構橋加固設計作為研究背景，具有一定的現實意義。某T型剛構橋跨徑組合為6×30米+65米+100米+65米+6×30米，該橋上部結構主橋為預應力混凝土T型剛構，主橋T型剛構采用單箱雙室箱梁，大橋的引橋部分采用30米普通鋼筋混凝土T梁的簡支梁橋。下部結構主橋橋墩采用空心腹式薄壁墩，引橋部分為雙柱式橋墩，基礎為鉆孔灌注樁基礎，設計荷載等級為汽-20，掛-100，人群荷載3.5kN/m2。大橋主橋部分的總體布置圖如圖1所示：

2、橋梁的病害調查和分析

橋梁結構的安全性是由結構的剛度、強度、耐久性等技術指標決定，由于材料強度的離散性、作用荷載的隨機性、施工質量的分散性等因素，促使橋梁結構產生病害。檢測結果表明，本橋產生了以下病害：（1）T型剛構橋箱梁體內腹板接近上翼緣底端處有大量的斜裂縫，斜裂縫傾角大約為25～60度之間，最大斜裂縫值為0.15mm左右；（2）主橋T構橋面破損嚴重，在T型剛構懸臂根部頂面開裂尤其嚴重；（3）T型剛構主橋的撓度增大，尤其在懸臂端部牛腿處下撓現象較為明顯，汽車通過時有較明顯的跳突感。經評價分析認為，主橋箱梁的預應力損失過大，造成預應力不足，斜截面的抗剪強度不夠，在荷載作用下，箱梁混凝土拉應力過大。同時，實際結構的撓度值大于理論計算撓度值。所以，需采用體外預應力法加固，補強預應力，從而提高結構主梁的抵抗變形能力。

3、體外預應力鋼束布置方式

為了恢復大橋主橋的承載能力，本橋加固采用折線型體外預應力束布置，體外預應力束一端在橋墩處橫隔板上緣張拉并錨固。另一端預應力束錨固于懸臂端的牛腿上。牛腿處采用新增反力背墻，通過拉桿施加預應力。鋼束布置類似于矮塔斜拉橋，具體預應力鋼束布置參見圖2，采用兩端同時張拉，T構端部施加體外預應力使原結構牛腿附近受負彎矩的作用，牛腿箱梁頂板上緣粘貼鋼板局部加固。

4、 T型剛構主橋結構靜力計算分析

T型剛構主橋結構總體靜力計算分析采用同濟大學開發的結構有限元分析軟件——“橋梁博士系統”，根據竣工圖建立有限元分析模型。將全橋劃分為90個單元和95個節點，全橋平面有限元如圖3示。對主橋T構分別進行原橋和加固后結構安全驗算。

4.1單獨施加體外預應力作用下計算成果

采用單獨施加加固作用的體外預應力于原結構，分析T構主橋箱梁截面的應力狀況，目的是為了評估體外預應力鋼束加固箱梁梁體的效果，整個計算過程，不計入原結構的自重、預應力及汽車荷載作用但要計入新增的橫隔墻、縱梁和錨塊的自重。

分析計算可知，新增預應力鋼束單獨作用對梁體上緣產生的最大壓應力為1.3MPa。整個結構截面上產生的幾乎全部是壓應力。根部最大壓應力約為0.5MPa。

4.2全橋整體結構分析

根據有限元模型計算，對比T構主橋各主要截面體外預應鋼束加固前后的正應力值、主應力值的情況，分析體外預應力鋼束加固箱梁梁體的效果[3]。

5、靜動載試驗主要結論

為了解加固效果，對加固后的橋梁靜動力特性有效評估，對該橋加固完成后進行靜動載實驗研究。靜載試驗結論如下：（1）T構主橋懸臂端牛腿處撓度最大，在荷載試驗效率系數為99%的情況下，T構懸臂端部撓度最大值為29.39mm，為理論計算值的113%，卸載后殘余變形值為0.7mm。卸載后迅速回彈。說明T構橋梁處于良好彈性工作狀態。（2） 滿載墩頂偏載側的工況下，T構根部最大拉應變為-72με， 實測拉應變值小于理論計算值，卸載后殘余變形為15%，應力（應變）隨荷載增大基本按線性規律變化。動載試驗分為跑車試驗、脈動試驗和跳車試驗，結論如下：跑車試驗結構實測基本頻率2.6367～2.7343Hz，脈動試驗結構實測基本頻率2.7343Hz，跳車試驗結構實測基本頻率2.5390Hz，結構實測基本頻率為2.6367Hz，理論計算結構實測基本頻率為1.7760Hz，實測值大于理論計算值。靜動載試驗表明，體外預應力加固T構箱梁后，結構整體性能良好。

6、結 語

通過T型剛構橋的加固實際工程實踐表明，采用體外預應力加固，結構體系受力合理，可有效改善橋梁的主橋線形。主橋每個T構的加固僅用12束15-9鋼絞線就達到了加固的目的。有效節約成本，加固施工也非常方便。此外，體外預應力體系采用由高密度聚乙烯管HDPE 、防腐油脂或水泥漿體共同組成防腐的組件，克服了體外預應力鋼筋在空氣中易銹蝕的問題。隨著新材料、新工藝的應用，也將推動了預應力體系的應用和發展。體外預應力技術未來將更廣泛應用于土木工程中。

參考文獻

[1] 李國平.預應力混凝土結構設計原理[M].北京：人民交通出版社：2000

[2] 熊學玉.體外預應力結構.中國建筑出版社，2005

[3]邵旭東 胡建華. 橋梁設計百問.第二版. 人民交通出版社，2005