非對稱大跨徑連續剛構橋體外預應力加固設計及施工監測研究

李志堅

摘 要：大跨徑預應力混凝土連續剛構橋在長期運營過程中出現跨中下撓及箱梁開裂等病害，嚴重影響在役橋梁的正常使用；體外預應力加固對橋梁線形和應力狀態起到有效的改善作用，從而提高橋梁的服役能力。本文以某非對稱大跨連續剛構橋加固工程為研究背景，對橋梁的主要病害、原因分析、加固設計及施工監測做了系統討論；建立空間有限元加固模型進行了檢算分析；通過遠程健康監測系統和人工觀測對橋梁加固施工進行了全過程監測，可為同類橋梁加固工程提供參考。

關鍵詞：非對稱連續剛構橋 體外預應力 空間有限元 加固設計 檢算 遠程監測 人工觀測

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0081-02

在長期自然環境（諸如腐蝕、溫度與濕度變化、自然災害等）和使用環境（諸如結構的疲勞、材料的老化、超載等）影響下，以及施工質量不過關和設計思路不成熟等各種因素，部分大跨徑連續剛構橋在服役若干年后即出現了跨中下撓和梁體開裂等不同程度的病害，危害到橋梁的安全運營。體外預應力加固是對布置在被加固構件的后加補預應力鋼筋施加預應力，通過預加力產生的反彎矩作用，改善舊橋的受力狀態，從而提高舊橋的抗裂能力和承載力。

1 工程背景

某連續剛構橋全長415m，跨徑組成為130+200+85m，由一個240mT和一個160mT組成的不對稱結構，箱梁頂板寬22.5m，底板寬12.2m，為三向預應力結構，該橋已建成通車13年，在長期運營過程中出現各種病害問題，其中主梁跨中下撓和箱梁裂縫為主要問題。

（1）下撓。根據該竣工初期實測橋面線形及近期實測橋面線形分析可知，竣工時該橋中跨合龍段預拱度為41mm，近期檢測結果顯示該位置相對設計線形下撓195mm，預拋高值已耗盡，相對于成橋狀態累計下撓達236mm。

（2）裂縫。該橋近期檢測結果顯示，在箱梁外部及內部發現較多裂縫，主要分布為箱梁底板橫向、縱向裂縫及腹板斜向裂縫，特別在主跨跨中位置橫向裂縫分布密集，多數裂縫長0.6～1.5m，寬0.1～0.15mm，最長裂縫達8m，寬0.2mm。

（3）病害分析。大跨徑連續剛構橋跨中下撓及梁體裂縫是該類型橋梁的常見病害，結合本橋實際情況分析成因主要包括如下幾個方面：①該橋服役時間已長達13年，主梁有效預應力存在一定程度的損失，梁體混凝土壓應力儲備降低，尤其是頂板束的損失對跨中下撓影響較為明顯；②箱梁頂板縱向預應力束沒有設置下彎，削弱了主梁下撓的抑制作用；③混凝土收縮徐變系數與混凝土的配合比、施工環境及各種添加劑等因素均緊密相關，通常主梁混凝土在多重因素影響下的實際徐變量要高于理論徐變量；④箱梁裂縫降低了結構剛度，從而加劇了主梁下撓。

2 加固設計檢算

采用空間有限元專用程序對該橋建立加固模型，根據橋梁現狀，分四種工況進行檢算：（1）按原設計復算。（2）按原設計并考慮預應力損失30%及開裂區剛度折減15%。（3）按原設計進行加固。（4）按原設計并考慮預應力損失30%及開裂區剛度折減15%后進行加固。

按《公路橋涵加固設計規范》要求進行正常使用極限狀態計算和承載能力極限狀態計算，由計算結果可知：（1）在正常使用極限狀態下，加固前主跨跨中截面與合龍段下緣處于受壓狀態，應力值分別為-1.0～-5.1MPa與-1.1～ -5.1MPa，加固后主跨跨中與合龍段下緣的應力值分別為-3.1～-7.3MPa與-4.4～-8.5 MPa，加固后主跨跨中與合龍段下緣壓應力儲備得到明顯提高，加固引起的主梁混凝土應力增量變化見圖1。（2）正常使用極限狀態下，加固前考慮預應力損失及截面剛度折減跨中合龍段下撓107.2mm小于實際下撓值，主梁還存在開裂、變位、實際收縮徐變等引起的下撓。（3）加固后跨中合龍段上拱21.9mm，橋面線形得到調整，加固引起的主梁變形見圖2。

3 加固施工監測

借助該橋已安裝運行的遠程健康監測系統實現對該橋加固施工的全過程實時監控，從而及時掌握加固過程中橋梁線形變化情況以指導施工；同時為了進行對比驗證，還采用水準儀進行人工現場觀測。

3.1 遠程監測系統簡介

該橋遠程健康監測系統的監測內容主要包括環境監測（溫度等）、動態監測（加速度、固有頻率等）及靜態監測（變形等）。其中橋梁結構靜變位是通過在關鍵截面布置高精度傾斜角度計監測傾角變化，并將傾角值換算為相應截面的位移而得到。

3.2 監測結果及分析

通過對該橋體外預應力加固施工前兩天、加固過程及加固后四天的跨中合龍段截面位移遠程監測數據（見圖3）分析可知，在整個加固過程中，跨中位移變化正常，結構處于安全狀態；加固后四天運營過程中采集的數據變化表明跨中合龍段位移逐漸上拱后趨于穩定（其中在車流量較小的夜間采集的數據更為直觀地表明加固后橋梁上拱情況），最大上拱值為15.80mm。此外，人工觀測結果（見圖4）也表明該橋加固后橋面線形得到調整，跨中最大上拱值達到16.76mm，兩種監測方法的結果相符，且均與計算值較吻合。

4 結論

（1）計算分析和施工監測結果表明，采用體外預應力加固能使主梁上拱，對解決主梁下撓過大、調整橋面線形、改善行車條件有一定作用；采用體外預應力能提高原橋梁正截面抗彎承載能力；由于預加力的作用會使原橋梁裂縫部分閉合，提高壓應力儲備，限制新的裂縫出現和發展，對提高結構的耐久性是有利的。

（2）對體外預應力加固的非對稱大跨徑連續剛構橋超靜定結構力學分析，宜采用空間有限元程序進行計算分析。

（3）借助橋梁健康監測系統對加固施工進行全過程監測以掌握橋梁結構變化，可有效指導施工并提供有利的安全保障。

參考文獻

[1] 張艷.體外預應力法在連續剛構橋加固中的應用研究[D].西南交通大學，2005.

[2] 段智馨.體外預應力技術加固連續剛構橋的實例應用[J].中外公路，2013，33（4）：179-181.

[3] 胡志堅，郭友，譚金華.體外預應力混凝土結構研究現狀與展望[J].公路交通科技，2006，23（2）：94-97.endprint