橫向鋼梁法和橫向預應力法加固空心板梁橋實例分析

張瑞斌

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

我國在20世紀修建了大量的中小跨徑橋梁，而空心板梁橋在中小跨徑橋梁中占據了相當大的比重。早期建成的一些空心板梁橋，由于長期環境及車輛荷載的作用，出現了大量的病害缺陷及承載能力不足的情況，使得這些橋梁不能夠正常運營甚至危及行車安全[1]，因此，空心板梁橋加固技術的研究和探索具有很大的現實意義。目前空心板梁橋橋梁加固技術也正朝著輕型、快速、不中斷交通的目標進展。我國在空心板加固技術方面的研究已取得許多成績。我國現已形成相對完善的加固技術體系，于2008年發行了國家標準《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T J22—2008）和行業標準《公路橋梁加固施工技術規范》（JTG/T J23—2008）兩本規范，規范中總結了幾種常見的加固方法和施工工藝：增大截面法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維法、體外預應力法等。對于空心板梁橋來說，目前常用的加固方法有：化學灌漿加固法、增加橫向聯系、減梁增肋法、橋面補強層加固法、剪力鋼筋加固法等。本文以某空心板梁橋加固項目為工程實例，開展對目前的兩種較為實用的空心板梁橋加固技術：橫向鋼梁法、橫向預應力法的應用研究[2]。從加固設計原理、施工工藝以及加固效果等方面進行分析對比研究，以期優選出適用于空心板梁橋的合理的加固方法，提高其承載能力。

1 工程概況

某主跨20 m的預應力空心板梁橋建于1972年，上部結構為預應力混凝土空心板，單板寬度為0.9 m，梁高0.8 m。該橋為簡支結構，橋面寬度為8.5 m。原橋設計荷載等級為汽車-20級、掛車-120。經橋梁檢測人員現場勘查表明，該橋空心板板底出現多條橫縱向裂縫，并出現了鉸縫破損脫落、梁體多處混凝土剝落露筋等病害。采用Midas Civil 2015有限元計算軟件進行承載力驗算，空間三維模型如圖1所示。

圖1 原橋有限元分析模型

將橫向分布系數最大的板的跨中截面作為控制截面，驗算其承載力[3]。計算分析表明，控制截面為1號板跨中，橫向分布系數為0.412。按汽車-20級、掛車-120汽車荷載進行驗算，跨中彎矩計算結果如表1所示。

表1 原橋內力計算結果 單位：kN·m

結果表明，由于原橋內力組合值大于結構抗力，表明原結構目前承載能力不足，需要進行加固改造，以保證正常使用，延長使用壽命。

2 加固方案設計

2.1 橫向鋼梁加固

2.1.1 方案設計

對空心板主梁利用粘錨鋼橫梁法進行加固處理。這種加固方法能夠加強空心板之間的連接性，提高整體性和剛度，改善主梁的荷載橫向分布，從而達到加固增強的效果[4]。具體操作方式為：在跨中位置布設一片鋼橫梁，沿縱向從跨中位置起向兩端1 m處、2.5 m處、4.5 m處布設3片鋼橫梁。鋼橫梁采用2C型工字鋼，其截面尺寸為200 mm×75 mm×9/11 mm。鋼橫梁的位置如圖2所示[3]。

圖2 橫向鋼梁粘錨鋼梁示意圖（單位：cm）

2.1.2 有限元模型

常用有限元分析軟件Midas FEA對橫向鋼梁加固后的實橋進行建模分析，模型如圖3所示。通過在鉸縫位置釋放梁端約束來考慮粘錨鋼梁與主梁的橫向聯系情形，加載位置是通過在底板單元網格布設板單元來實現的，將各板與鋼橫梁粘錨的位置定義為彈性連接，從而使得鋼梁與空心板為共同工作的整體[5]。

圖3 橫向鋼梁加固后模型截面圖

2.1.3 施工流程

橫向鋼梁法加固主要施工流程如圖4所示，需注意在直接粘錨鋼梁前應將設計方案結合現場放樣確定施工具體位置，鑿除施工部位表面的砂漿，再對表面進行清潔去灰。

2.2 橫向預應力加固

2.2.1 方案設計

在空心板板底布設施加橫向預應力，該技術對空心板鉸縫位置的混凝土和鋼筋的性能要求不高，具有加固施工便捷、適應性強的特點。綜合考慮施工安全、預算等因素，用270級高強低松弛鋼絞線布設于空心板底并張拉預應力，鋼絞線公稱直徑為15.2 mm，公稱面積為 A=139 mm2，標準強度為1 860 MPa，張拉控制力0.6fpk。拉應力沿縱橋向具有遞減的特點，從而預應力應從跨中向兩端逐漸遞增。體外預應力筋的布置情況如圖5所示，即跨中布設一根，距跨中1 m、2.5 m、4.5 m依次布設一根。預應力錨具采用KM15型錨具，墊板尺寸為80 mm×80 mm×14 mm[6]。

圖5 橫向預應力布設示意圖（單位：cm）

2.2.2 有限元模型

橫向預應力鋼絞線與預應力空心板連接采用彈性連接，有限元模型如圖6所示。在各片梁單元上加一層板厚為0.001 mm厚的板單元，作為加載部位，以便加載。

圖6 橫向預應力加固仿真模擬

2.2.3 施工流程

橫向預應力法加固空心板梁橋施工的工序如圖7所示。

圖7 橫向預應力加固施工流程

3 加固效果分析對比

3.1 撓度分析

3.1.1 設計荷載作用下撓度分析

加固施工完成后，在組合荷載作用下對空心板板底1/2L截面的撓度進行分析，結果如表2和圖8所示。

表2 組合荷載作用下各板板底撓度值 mm

圖8 空心板底1/2L截面撓度分布圖

由圖8可知，該橋在加固前跨中撓度橫向分布較為離散，不均勻，在6號板處出現了比較明顯的撓度突變，這是原橋各板橫向連接不強，整體性差導致的。采用橫向鋼梁法和橫向預應力法加固后，空心板板底跨中截面的下撓得到明顯改善。同時，橫向預應力法較橫向鋼梁法加固效果相對更佳，例如比較明顯的8號板為例，采用橫向鋼梁法加固后，其板底撓度由5.58 mm減小到4.83 mm，采用橫向預應力法加固后能夠減小到4.51 mm。

撓度的橫向分布均勻性可一定程度上反映空心板梁橋橫向的整體性，從以上圖表中可知，加固后的空心板梁橋橫向分布得到改善，其中橫向預應力法較橫向鋼梁法對橫向分布的改善稍明顯。

3.1.2 1號板加載作用下撓度分析

加固前空心板梁橋的1號板具有最大的橫向分布系數，即橫向連接性能最差，故在1號板1/2L截面處施加一集中力，分析在集中力作用下的上述兩種技術的加固效果，分析結果如表3和圖9所示。

表3 1號板加載下各板板底撓度值 mm

圖9 1號板加載下各板底撓度分布圖

圖9表明，加固前的空心板主梁撓度橫向分布不均勻，在6號板1/2L截面處存在比較大的突變，原橋橫向連接性能不強。采用橫向鋼梁及橫向預應力加固后，各空心板單板撓度得到減小。其中，橫向預應力法加固后結構撓度減小更為明顯，但二者對結構撓度的改善效果比較接近。撓度曲線的平滑程度上，橫向預應力法加固后撓度曲線更加平緩，即結構整體性改善效果更佳。

3.2 應力分析

3.2.1 1/2L截面各板間鉸縫下緣應力

空心板板間縱向裂縫主要是由于鉸縫開裂引起的，鉸縫開裂還會引起空心板主體結構發生橫向開裂，從而出現單板受力情況?？招陌灏彘g的抗裂性能主要是由鉸縫底部的橫向應力直接反應的，表4為兩種加固方式加固前后鉸縫底部應力峰值對比結果。

表4 鉸縫底緣應力峰值對比 MPa

對比結果表明，橫向鋼梁法和橫向預應力法加固空心板后，鉸縫底部拉應力峰值得到降低，橫向預應力加固后效果更佳，由加固前的拉應力3.626 MPa調整為壓應力2.668 MPa。從結構橫向抗拉的角度來說，橫向預應力法對原結構改善更為明顯。

3.2.2 跨中各板板底應力

表5為兩種加固方式加固前后各板板底拉應力峰值對比結果。

表5 各板板底拉應力峰值對比 MPa

對比結果表明，橫向鋼梁法和橫向預應力法加固空心板后，板底拉應力峰值都有較明顯減弱，底板應力狀態由加固前的受拉狀態變為受壓狀態，承載力得到顯著提高。從本橋分析來看，橫向鋼梁法對空心板板底縱向拉應力的改善優于橫向預應力法。

4 結語

本文對某空心板梁橋進行承載能力檢算，檢算結果表明其承載能力不足，從而分別采用橫向鋼梁法、橫向預應力法對該橋進行加固設計，然后對比分析在兩種加固技術加固后的主梁撓度、應力。分析結果如下：

a）空心板梁橋在加固后承載能力得到提高。用兩種加固技術加固后，該病害橋梁的跨中撓度得到明顯降低。其中，橫向預應力加固法在撓度改善上要優于橫向鋼梁法。

b）對上部結構加固后其橫向整體性得到增強，橫向預應力法加固后撓度曲線更加平緩，即結構整體性改善效果更佳。

c）空心板梁橋的鉸縫抗裂性能以及空心板縱向抗裂性能得到增強，兩種加固方法加固空心板后，板底拉應力峰值都有較明顯減弱，承載力顯著提高。橫向鋼梁法和橫向預應力法對縱向拉應力的改善情況比較接近。