大跨徑預應力混凝土箱梁加固設計及效果驗證方法研究

□文 /王振宇

預應力混凝土連續梁橋以其自身獨特的優點在我國得到了迅速的發展，但是隨著其服役時間的增長，橋梁結構性能的日益退化，承載能力會呈現一定程度的下降，預應力有所損失，一般表現為梁體的開裂和下撓[1～2]。大量工程表明，體外預應力加固法能有效抑制預應力混凝土連續梁橋跨中下撓、裂縫開展[3～8]。但是由于其預應力損失具體量值難以確定，加固預應力配筋的數量及面積的確定成為了加固設計中的難點，加固后的效果驗證是整個工程的重點。橋梁加固后，一般可以利用荷載試驗檢驗是否達到加固設計預期的效果[9]。本文以某公路橋梁加固工程為例，提出裂縫寬度試算法進行加固預應力束配筋設計，通過橋梁荷載試驗來檢驗橋梁加固的實際效果，為橋梁采用合理的加固方法提供良好的工程實踐經驗。

1 工程概況

某公路跨線立交橋其中一聯（8#墩～11#墩）維修加固工程為跨徑布置45 m+50 m+45 m大跨徑預應力混凝土連續箱梁，箱梁橫斷面為單箱四室，等高截面，梁高2.8 m，箱梁頂板寬21.25 m，底板寬16.074 m，翼板寬2 m，見圖1。

圖1 箱梁跨中橫截面

該橋設計荷載等級為公路-I級，預應力箱梁設計為部分預應力A類構件，8#～9#墩箱梁在檢測過程中發現跨中出現底板橫向裂縫以及腹板豎向裂縫，同時跨中呈現一定程度的下撓，不滿足規范[10]對預應力結構的要求；以設計荷載為控制荷載，對該孔跨進行靜載試驗，裂縫進一步開展，橋梁實測撓度與應力均大于計算值，試驗結果不滿足評定規程[11]的要求，表明該橋承載能力不滿足公路-I級荷載標準。以上兩點已表明，該聯箱梁有效預應力損失，剛度及承載能力下降，需要維修加固。

2 梁加固方法的確定

根據大跨徑混凝土梁橋的病害特點，橋梁加固目標為改善橋梁的橋面線形，緩和跨中下撓，提高承載能力，抑制裂縫擴展。體外預應力加固技術受力明確、加固效果好、加固質量可控，可以減少或限制結構的裂縫和其他變形[12]。這是一種主動加固方式，其原理是利用體外預應力對原構件施加一定的初始應力，使結構在正常使用狀態下受力最不利截面具有一定的壓應力儲備，結構基本呈現彈性受力狀態[13]。

由于該聯為大跨徑預應力混凝土箱梁結構，梁高較高，考慮既要抑制梁體開裂和下撓，又要提高箱梁剛度，最終確定8#～9#墩箱梁采用箱室植筋澆筑混凝土形成預應力管道，施加體外預應力束主動加固的方法。該加固方式的優點是，由于預應力與梁體有粘結作用，從而整體性好，預應力能更加有效作用至梁體。

3 橋梁加固預應力束配筋設計

體外預應力加固原理就是彌補原有體內預應力損失，但難點是如何確定預應力損失量，從而確定相應的配筋量。

國內學者進行了大量的試驗及理論研究：徐棟等[14]通過試驗分析了體外預應力梁在整個加載過程中的反應，編寫了有限元非線性分析程序，用來分析體外預應力作用下的結構特性；牛斌等[15]通過試驗建立了體外預應力混凝土梁在受彎情況下全過程非線性分析的計算方法和計算程序，提出了體外預應力混凝土梁在極限狀態下承載力的計算方法；張耀庭等[16～17]通過理論和試驗相結合，對體外預應力混凝土梁的極限承載力和短期撓度進行了研究與分析并提出了一套相應的理論計算公式。以上學者分別通過不同的角度探索了體外預應力混凝土梁的計算與分析方法，為體外預應力的發展提供了理論依據。

本工程以預應力開裂損傷的重要參數——裂縫寬度為研究對象，通過模擬預應力失效，計算裂縫寬度，與實際裂縫寬度進行對比驗證，來確定預應力的損失量，從而完成預應力加固配筋設計。相對于其他設計方法，該方法直觀有效，簡單可行，易推廣。

以本工程為例，采用裂縫寬度試算法計算加固預應力束配筋過程如下：

1）采用Midas/civil建立箱梁原設計狀態下的模型，對其按預應力B類構件進行計算；

2）通過逐步對稱減少模型中預應力鋼束，計算出在設計荷載標準作用下箱梁模型裂縫寬度并與實際裂縫寬度進行對比，當模型裂縫寬度接近實際裂縫寬度時，不再進行預應力損失的模擬；

3）在第二步基礎上，再模擬加固混凝土（體外預應力管道）重量的作用，得出預應力損失以及后期加固混凝土重量作用下的裂縫寬度；

4）通過模型計算，箱梁在減少8束12φS15.2 mm預應力筋后，裂縫寬度接近實際裂縫寬度（0.16 mm），加固混凝土作用下的裂縫寬度為0.02 mm，則本次加固預應力配筋的目標裂縫寬度為0.18 mm，即通過加固預應力筋使得在第三步基礎上的模型裂縫寬度為0；

5）通過裂縫寬度試算法計算以及實際預應力束規格的要求，同時考慮施工張拉對稱性，得出在8#～9#墩箱室內應補充16束7φS15.2 mm無粘結預應力鋼束，配筋設計試算過程見圖2。

圖2 利用裂縫寬度法試算進行配筋設計過程

在8#～9#墩箱室內底板植筋，澆筑混凝土形成預應力管道，最后進行預應力鋼束張拉，見圖3和圖4。

加固過程中新舊混凝土施工注意事項：新澆筑混凝土采用自密實混凝土；箱梁底板進行鑿毛，紋理均勻、潔凈、無雜質，涂刷新舊混凝土界面處理劑，增強新老混凝土的結合；植筋采用橋梁專用改性環氧膠粘劑并且現場進行抗拉拔試驗合格后才能澆筑新混凝土。

圖3 8#～9#墩箱梁加固縱斷面

圖4 8#～9#墩箱梁加固橫斷面

4 加固效果驗證

為進一步了解掌握該聯箱梁加固前后的承載能力，為加固設計提供數據支持，同時驗證加固后箱梁承載能力是否提高，在加固前后分別對該聯箱梁進行荷載試驗。根據評定規程要求選擇控制截面，其中以8#～9#墩箱梁跨中最大正彎矩為控制截面；控制荷載標準均為原設計荷載標準公路-I級，試驗效率滿足規范要求；前后兩次荷載試驗加載重量一致。

4.1 撓度測試結果

在8#～9#墩箱梁L/4、跨中、3L/4布置撓度測點，加固前后兩次荷載試驗實測撓度值與理論計算值對比見表1，縱橋向撓度曲線對比見圖5。

表1 加固前后8#～9#墩箱梁荷載試驗撓度實測值對比 mm

圖5 加固前后8#～9#墩箱梁荷載試驗撓度實測值對比

由表1和圖5可知，各測點加固后實測撓度值小于理論值，結果滿足評定規程要求，表明該橋承載能力滿足公路-I級荷載標準；各測點的加固后實測撓度值比加固前實測撓度值明顯降低，其中跨中截面撓度值降低了50%左右，由于結構撓度與剛度成反比，表明加固后結構剛度大幅度提高，這是因為一方面加固后結構截面底板變厚，另一方面預壓力作用使箱梁加固后剛度比之前開裂剛度有所改善。

4.2 裂縫觀測結果

在8#～9#墩箱梁跨中截面選取典型腹板豎向裂縫及底板橫向裂縫的寬度進行觀測，加固前后兩次荷載試驗裂縫寬度觀測數值對比見表2。

表2 加固前后8#～9#墩箱梁荷載試驗裂縫觀測對比 mm

由表2可知，由于體外預應力束作用，加固后底板裂縫的初始寬度閉合，腹板裂縫的初始寬度閉合了0.18 mm；加固前在加載作用下，裂縫寬度增大，卸載后恢復原寬度；加固后在加載作用下，裂縫寬度未發生變化。由此說明8#～9#墩箱梁在進行加固后，裂縫在荷載作用下的開裂受到了明顯的限制。

綜合荷載試驗撓度和裂縫的觀測結果，8#～9#墩箱梁通過體內預應力束的加固方式，減小梁體變形，抑制裂縫開展，不僅提高了橋梁結構的剛度及承載能力并使橋梁的使用功能及耐久性均得到了有效的補充。

同時 9#～10#墩、10#～11#墩箱梁在 8#～9#墩箱梁加固前后荷載試驗結果一致，表明8#～9#墩的加固方法未改變原結構體系，不影響其他孔跨的受力特性。

5 結論

1）本文中提出的裂縫寬度試算法可以有效的指導預應力混凝土箱梁開裂損傷后加固預應力束的配筋設計并且簡單可行。

2）通過荷載試驗表明，對于大跨徑預應力混凝土箱梁采用體內預應力束的主動加固方式能有效地提高橋梁的承載能力，能限制裂縫的開展，提高橋梁結構的使用功能和耐久性。

[1]苗戰濤.大跨徑預應力混凝土梁橋開裂損傷過程的力學性能分析[D].西安：長安大學，2012.

[2]劉會超.預應力混凝土連續梁橋加固技術研究[D].西安：長安大學，2015.

[3]崔金燦.大跨度預應力混凝土連續梁橋預應力損失對長期撓度的影響[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2013.

[4]石雪飛，陳 輝，沈炯偉.已下撓連續梁橋加固方案研究[J].石家莊鐵道大學學報：自然科學版，2010，23（1）:1-5.

[5]陳 澤，周科文，廖勇剛.大跨徑連續梁橋病害成因分析及加固設計[J].公路，2013（1）:44-48.

[6]El-Ariss B.Stiffness of Reinforced Concrete Beams with External Tendons[J].Engineering Structures the Journal of Earthquake Wind&Ocean Engineering，2004，26（14）:2047-2051.

[7]Chen S.Experimental Study of Prestressed Steel-concrete Composite Beamswith External Tendons for Negative Moments[J].Journal of Constructional Steel Research，2005，61（12）:1613-1630.

[8]Chen S，Gu P.Load Carrying Capacity of Composite Beams Prestressed with External Tendonsunder Positive Moment[J].Journalof Constructional Steel Research，2005，61（4）:515-530.

[9]陳一寧.通過荷載試驗檢驗橋梁的加固效果[J].北方交通，2015（3）:36-38.

[10]JTGD 62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[11]JTG/TJ 21—2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].

[12]許宏元，宋 寧，陳常明，等.大跨徑混凝土梁橋體外預應力加固技術[J].重慶交通大學學報:自然科學版，2011，30（S2）:1192-1196.

[13]曹農江，趙 峰，龔書林，等.橋梁上部結構的加固維修方法綜述[J].公路工程，2007，32（5）:139-142.

[14]徐 棟，項海帆.體外預應力混凝土橋梁非線性分析[J].同濟大學學報:自然科學版，2000，28（4）:402-406.

[15]牛 斌.體外預應力混凝土梁極限狀態分析[J].土木工程學報，2000，33（3）:7-15.

[16]邱繼生，張耀庭，黃恒衛.體外預應力混凝土梁短期撓度的計算[J].特種結構，2003，20（1）:34-37.

[17]黃恒衛，張耀庭，邱繼生.體外預應力混凝土簡支梁正截面極限承載力[J].土木工程與管理學報，2003，20（1）:68-71.