某匝道橋體外預應力加固設計

唐學慶

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司 大連市 116024)

1 項目概述

某匝道橋為預應力混凝土三跨連續梁橋，跨徑布置為3×30m=90m，橋寬8m，橋面橫坡單向1.5%，通過調整腹板高度形成，橋面具體布置如圖1所示。主梁采用單箱單室箱形截面，腹板為斜腹板，中心處梁高1.956m，立剖面構造如圖2所示；標準段頂、底板厚28cm，腹板厚45cm；橫梁處頂、底板厚50cm，腹板厚100cm，漸變段長度分別為2m和7m；懸臂板長1m，端部厚度20cm，根部厚度30cm，懸臂下緣與腹板外側間倒角半徑為1m；端橫梁厚130cm，中橫梁厚150cm。

主梁采用C50混凝土，HRB335鋼筋，標準強度fpk=1860MPa鋼絞線。橋墩橫橋向呈Y型，上寬下窄，外側面以曲線過渡，立面呈花瓶形狀，采用C40混凝土。承臺厚2m，采用C30混凝土。基礎采用鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.5m，采用C30混凝土。支座均采用耐寒型盆式橡膠支座。

經現場動、靜載試驗和外觀檢測，現狀主梁的承載能力極限狀態滿足規范要求，但梁體開裂已不滿足原設計全預應力混凝土構件的要求，即正常使用極限狀態不滿足規范要求。主梁在邊跨1/4L～3/4L位置存在底板橫向裂縫及腹板豎向裂縫，橫向裂縫與豎向裂縫大部分相互對應，裂縫縱向間距大致在15～30cm之間，底板橫向裂縫寬度約0.10～0.19mm，腹板豎向裂縫寬度約0.15mm，典型裂縫分布如圖3所示。

2 原因分析與驗證

從受力方面考慮，橋跨中部產生裂縫的原因很多：

(1)模板偏差及澆注混凝土時脹模，導致混凝土超方；

(2)預應力鋼束張拉前，跨中支架沉降；

(3)預應力鋼束張拉不足或發生非常規預應力損失；

(4)基礎不均勻沉降；

(5)運營期間車輛超載等。

對于該匝道橋，很難判斷裂縫的產生是否由單一因素造成，經專家評審，認為預應力損失過多及基礎不均勻沉降是最有可能的原因。

采用Midas Civil軟件，建立主梁的三維模型，分別從預應力損失和支點不均勻沉降兩方面研究結構的受力情況。模型中包含51個節點、50個單元，其中主梁采用梁單元模擬，支座采用一般支撐模擬，計算模型如圖4所示。

(1)取消、折減部分腹板束，主梁各跨中部可出現不小于0.15mm寬的裂縫；

(2)中支點沉降2cm，主梁各跨中部可出現不小于0.10mm寬的裂縫。

由此可見，橋梁使用期間，非常規的預應力損失及基礎不均勻沉降，均能引起與該匝道現狀裂縫分布情況吻合的開裂。

3 加固目標與方法

3.1 加固目標

該匝道承載力能滿足規范要求，所處環境類別為Ⅳ類，即受除冰鹽等氯鹽影響的環境。由于裂縫產生原因較多，橋梁運營環境及受力復雜，專家評審意見為，通過加固，盡量減小現狀裂縫寬度，對剩余裂縫進行灌縫和封縫處理，使橋梁滿足正常使用要求。具體的，在保證結構的壓應力和主壓應力滿足規范要求的前提下，盡可能增加受拉區域的壓應力儲備，減小拉應力數值，從而減小裂縫寬度，以改善結構受力狀態，恢復橋梁結構正常使用功能，增強其安全性和耐久性，以期滿足規范B類預應力混凝土構件的設計要求，即裂縫寬度不大于0.10mm。

3.2 加固方法比選

梁橋常用的加固方法有：增大截面法、粘貼鋼板或粘貼碳纖維法、改變結構體系法及施加體外預應力等方法。

增大截面法即通過增大混凝土構件的截面和配筋，以提高結構的抗彎、抗剪承載力和剛度，但該法會占用一定的橋下凈空。粘貼鋼板法是用環氧樹脂系列黏接劑將鋼板粘貼在構件受拉部位，使其與原構件形成整體共同工作，以提高結構承載力與剛度，限制裂縫進一步發展，但黏接劑的質量和耐久性是加固效果的控制因素。粘貼碳纖維法是利用黏接劑將碳纖維增強復合材料粘貼在構件表面，與混凝土協調變形共同受力，從而提高結構承載力與剛度，但黏接劑的性能是保證加固效果的關鍵。改變結構體系法即在梁下增設加勁梁、支架或橋墩，從而改變原橋上部結構體系來改善結構受力，提高承載力，但該法對橋下凈空有較大的影響。施加體外預應力法是通過增設鋼絞線等體外預應力索，對既有混凝土梁體主動施加外力，以改善原結構的受力狀況。

現狀結構承載能力滿足規范要求，使用狀態欠佳，且對橋下凈空有較高的要求，綜合考慮，選用體外預應力加固法最為直接、有效。

3.3 本橋加固方法介紹

該匝道采用箱內增設直線體外預應力鋼束的方法進行加固，體外束一端為固定端，錨固在梁端新澆筑的錨塊中，采用壓花式錨具，以利于鋼束分散錨固，另一端為張拉端，采用張拉端錨具，張拉后分別錨固在兩道中橫梁處。具體為：在距端橫梁1.5m范圍的箱室內部進行植筋，范圍含端橫梁內表面及箱梁頂、底板與腹板處，植筋采用直徑32mm的HRB400鋼筋，中心距20cm；端橫梁植筋鉆孔深度75cm，頂、底板及腹板植筋鉆孔深度20cm，孔徑均為4cm；采用C50微膨脹混凝土澆筑錨塊，用于埋置體外預應力鋼束的固定端錨具；中橫梁對應位置進行鉆孔以便鋼束通過或張拉錨固。

由于箱內空間所限及考慮施工的可操作性，端橫梁處理論植筋數量為59根，可提供的錨固承載力設計值為N=fyAs=15658kN。計入一定的安全系數后，體外束選用8根9Φs15.2環氧涂敷無粘接鋼絞線，錨下張拉控制應力取1070MPa。鋼束分上、下兩層布置，每層各4根，如圖5所示。鋼束編號由字母和數字組成，同一編號鋼束各有兩根，T代表上層鋼束，B代表下層鋼束，其中T1、B1鋼束在第一道中橫梁右側張拉錨固，T2、B2鋼束通過第一道中橫梁在第二道中橫梁右側張拉錨固，T3、B3鋼束在第二道中橫梁左側張拉錨固，T4、B4鋼束通過第二道中橫梁在第一道中橫梁左側張拉錨固。限于篇幅，僅給出第一道中橫梁左側主梁鋼束斷面布置圖，如圖6所示。圖7為鋼束在中橫梁處通過與錨固示意圖。

施工注意事項：

(1)植筋鉆孔時需了解原橋的鋼筋構造，并用鋼筋探測儀對孔位進行探測，如有沖突可適當調整孔位，不可損壞原橋鋼筋，尤其不能損壞原橋的腹板預應力鋼束。

(2)錨塊澆注前需對箱內相應范圍的混凝土表面進行鑿毛，要求坑深5mm，坑與坑之間的凈距10mm，錨塊混凝土務必澆注密實，確保錨具可靠錨固。

(3)鋼束在錨塊端面出口處需采取可靠措施，防止鋼束張拉時，端面混凝土撕脫。

(4)中橫梁鉆孔時須保證孔位準確及孔道的垂直度。

(5)鋼束張拉及病害處治期間應進行交通管制，確保施工質量。

4 加固計算與效果

4.1 主梁受壓計算

不考慮原橋鋼束發生非常規的預應力損失，即認為現狀裂縫由其他原因造成，增設體外束后，并計以下荷載與間接作用：主梁自重與橋面二期、混凝土收縮徐變、原橋預應力鋼束、支點不均勻沉降、公路-Ⅰ級汽車荷載、均勻溫度和梯度溫度作用。使用階段主梁正截面的法向壓應力及斜截面的主壓應力包絡圖如圖8、圖9所示。

由圖8可知，作用標準組合下主梁正截面法向壓應力最大值為14.1MPa，小于0.5fck=16.2MPa，滿足規范要求。由圖9可知，作用標準組合下主梁斜截面主壓應力最大值為14.1MPa，小于0.6fck=19.4MPa，滿足規范要求。

4.2 主梁加固效果

僅在體外束的作用下，主梁上、下緣的應力圖如圖10、圖11所示。現狀邊跨3/4L處底板裂縫寬度最大，數值為0.19mm，依據混凝土裂縫寬度與混凝土名義拉應力的對應關系，該處混凝土的名義拉應力為6.2MPa。由圖11可知，體外束在邊跨3/4L處下緣引起2.0MPa的壓應力，即新增體外束后，該處混凝土的名義拉應力降至4.2MPa，對應的裂縫寬度小于0.1mm。其他開裂截面的裂縫寬度皆小于0.19mm，即對應的混凝土名義拉應力不足6.2MPa，同時體外束引起的壓應力不小于2.0MPa，故各截面對應的裂縫寬度皆小于0.1mm。增設體外束后，主梁滿足規范B類預應力混凝土構件的設計要求。

5 結論與建議

體外預應力作為一種主動加固技術，適用性強，能夠有效改善結構的應力狀態，減小或閉合原有裂縫，提高結構的安全儲備，并且不占用橋下凈空。需要注意的是，應重視體外束錨固構造的設計，其直接影響加固體系的成敗，合理選擇錨固形式、充分考慮施工難易程度，并進行必要的驗算，以保證其安全、可靠的工作。