基于荷載試驗對增大截面配合預應力綜合加固效果分析

賴火爐

（福建省高速公路集團有限公司漳州管理分公司養護中心，漳州 363008）

1 概述

隨著交通運輸服務的要求， 早期修建的橋梁將要面臨著超過原設計荷載等級的交通量以及交通荷載所帶來的壓力。以此同時，由于早期設計理論和該類型橋型認識的局限性， 以及施工質量控制不嚴和后期養護不及時等原因， 導致一些預應力橋梁結構在施工過程中就已經先天不足，長時間運營之后出現諸如梁體下撓、梁體裂縫等不同程度的病害[1]。 體外預應力加固具有平衡活載作用，能夠產生使主梁卸載的效果， 對改善舊橋的狀況十分有利，且達到裂縫減小或閉合的目的[2]。然而，由于體外預應力加固存在的局限性， 特別是耐久性方面加固達不到預期效果。

本文以某大跨徑連續箱梁橋為例，分析了先期體外預應力加固后主梁無法達到加固效果的原因，提出增大截面體內預應力等措施進行加固。 通過荷載試驗評價加固效果，得到一些有益的結論，為同類工程實踐提供借鑒。

2 工程概況

2.1 工程概況

某大橋位于沈海高速廈漳段， 于1997 年底建成通車，橋梁全長235.42m，橋跨組合為31.6m+3×50m+45.8m預應力鋼筋砼連續箱梁，單幅橫向布置為0.5m（護欄）+11.5m（行車道）+0.5m（護欄），橋面凈寬11.5m。 上部結構采用等截面預應力混凝土連續箱梁， 為單箱單室斜腹板箱型截面，箱梁梁高2.8m，頂寬12.5m，底寬4.2m，斜腹板，翼緣板懸臂長度為3.55m。腹板厚度32～45cm，底板厚度15～48cm， 頂板厚20cm。 下部結構橋墩采用直徑為220cm 的PC 空心樁，壁厚20cm，樁柱一體直通墩帽。 橋梁結構示意圖見圖1。

2.2 橋梁病害情況

經過逾20 年的運營后， 該橋從2006 年開始委托相關資質單位進行檢測，技術狀況評定等級為四類橋。該橋存在如下病害：

圖1 橋梁結構立面圖

（1）箱梁出現了較為嚴重的跨中下撓現象，其中50m跨徑最大下撓值為12.21cm；

（2）箱梁外部梁體出現多條梁底橫向貫通裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫，且從2006 年開始到2015 年的定期檢測結果中， 發現每年均有新裂縫產生， 橫向裂縫最寬達到0.15mm，豎向裂縫最寬達到0.43mm，超過規范限值。病害示意圖見圖2、圖3；

（3）箱梁內部豎向裂縫縫寬(0.09～1.00)mm，斜向裂縫縫寬(0.08～1.20)mm 分布在梁端橫隔板及兩側腹板位置；頂板橫向裂縫縫寬(0.12～3.50)mm，分布在跨中頂板位置。

圖2 箱外梁底橫向裂縫

圖3 箱梁腹板外側豎向裂縫

2.3 箱梁歷史維修加固記錄

該橋自2011 年起，先后采取了封閉裂縫、粘貼碳纖維布補強和粘貼鋼板補強等加固措施。 2014 年經專家會討論，對該橋進行增加體外預應力鋼束加固方法。 然而，2016 年經荷載試驗分析，該橋撓度、應變校驗系數均大于1，承載力不滿足要求；結構實測一階頻率＜理論頻率，實際剛度小于理論值， 橋梁的承載能力不能滿足評定要求。 分析主要原因在于體外預應力加固法存在一定的局限性，體外預應力達不到預期效果。

（1） 預應力的施工中在鋼絞線下料與穿束中粘接段段的長度和位置， 新老混凝土之間的粘結后加預應力對原預應力的影響很難確定；

（2） 施加預應力索加固存在合理的加固預應力筋的位置和數量后加固的預應力鋼筋對已經存在的預應力鋼筋的影響不明；

（3）體外預應力鋼筋松弛、斷筋等失效的現象。

3 增大截面配合預應力加固法

3.1 結構加固具體方法

增大截面配合預應力加固法，即在箱梁腹板外植筋、并加厚腹板，梁端附近區域加厚50cm，其余加厚18cm，在加厚層內預埋塑料波紋管，增設6 束Φs15.2-15 鋼束，設計圖見圖4～圖6。加固方法充分考慮結構安全性、耐久性及后期養護便利性，同時遵循易操作、效果好、交通影響小的維修加固原則。

圖4 支點截面加固設計圖（單位：cm）

圖5 跨中截面加固設計圖（單位：cm）

圖6 體內預應力管道設計圖（第1 跨，單位：cm）

3.2 加固施工控制要點

（1）加固采用高強度C55 無收縮自流密實混凝土，減小預應力的二期損失；

（2）加固增加的恒載盡量小，拆除原體外預應力鋼束及錨固混凝土，對原上部結構進行減載。加固前后恒載變化見下表1。

表1 加固后恒載變化

（3）控制新舊混凝土結合面的處理，應使老混凝土表面的粗、細骨料都外露，形成凹凸不平的表面，確保新老混凝土表面的處理質量，可以采用高壓水射法、電動鋼絲或人工鑿毛等進行表面處理施工[3]。

（4）控制預應力管道的灌漿密實度，把握灌漿料的流動性，同時檢查是否存在漏漿的現象。上導管出漿后證明灌注密實， 待養護齡期達10d 后采用預應力管道注漿密實度檢測儀檢測。

4 箱梁加固效果評價

通過橋梁荷載試驗，對橋梁承載能力、工作狀態進行綜合評估，評價加固的效果，判定橋梁是否能夠正常運營使用。選擇大橋右幅進行加固效果評價，現場通過靜動載荷試驗，測試了大橋的靜載效應下的應變、撓度以及裂縫開展情況，動載試驗下的橋梁整體振動頻率及沖擊系數，并與加固前進行分析比較，如下：

（1）應變測試情況

加固前滿載作用下，剔除在儀器誤差、系統誤差范圍內的數據后， 工況1 墩頂負彎矩工況的應力校驗系數小于1， 工況2 和工況3 的跨中正彎矩截面底板的校驗系數均大于1，不滿足規范[4]要求。

加固后各工況實測應變均未超出理論應變， 應變的校驗系數在0.39～0.99 之間， 關鍵測點應變校驗系數在0.79～0.99 之間，相對殘余應變在0%～18.8%之間，均滿足規范[4]中應變校驗系數、殘余應變的規定，說明該橋受力后基本能恢復到初始狀態，處于彈性工作狀態。

圖7 加固前后邊跨應變實測值與理論值對比圖

（2）撓度測試情況

加固前在滿載作用下，剔除在儀器誤差、系統誤差范圍內的數據后，除工況1 的部分點外，其余各截面校驗系數均大于1.0（校驗系數在0.65～1.73 之間），且相對殘余撓度超過20%，均不滿足規范[4]要求。

加固后各工況實測撓度值均小于理論撓度值， 撓度校驗系數在0.93～0.99 之間，相對殘余撓度在0.3%～6.8%之間，均滿足規范[4]中撓度校驗系數、殘余撓度的要求，說明該橋受力后，基本能恢復到初始狀態，處于彈性工作狀態。

圖8 加固前后邊跨撓度實測值與理論值對比圖

（3）裂縫監測情況

荷載試驗過程中，采用裂縫測寬儀對典型裂縫進行監測。 從監測數據來看，在試驗過程中裂縫未見明顯開展。

（4）橋梁振動頻率

加固前后實測及理論自振前三階頻率對比如下表2。 表明加固后橋梁整體豎向動剛度較加固前有所提升，滿足規范要求。

表2 實測與理論前三階豎向自振頻率結果

（5）橋梁沖擊系數

在單車作用下翠林大橋右幅最大實測沖擊系數系數為0.256。

綜上所述，通過兩次荷載試驗結果對比可發現：

（1）無論靜載還是動載結果，橋梁結構剛度有較大提高；

（2）結構強度指標應變的校驗系數有一定提高。

5 結語

（1）通過連續箱梁實例，對整體式箱梁腹板增大截面配合預應力加固技術進行較為詳細的介紹， 并對加固施工過程中的控制要點進行闡述， 可為廣大工程人員提供參考。

（2） 本方法綜合了增大截面法和體外預應力加固法兩者的優點， 解決了增大截面加固帶來的恒載以及體外預應力加固中預應力鋼束無混凝土保護、 新舊混凝土粘結以及新加預應力鋼束對原鋼束影響的問題。

（3）本次加固后靜動載試驗實測數據表明，該橋受力性能已滿足設計荷載要求，整體結構承載力、剛度以及耐久性都得到很大程度的提高。