大跨徑PC連續(xù)梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固研究

張樹國

摘 要：隨著我國交通網(wǎng)絡(luò)不斷布設(shè)與擴(kuò)張，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的建設(shè)數(shù)量不斷增加，成為了交通網(wǎng)中主要橋型。但隨著運(yùn)營時(shí)間的增長以及使用年限的增長，PC連續(xù)梁橋經(jīng)檢測出現(xiàn)了開裂和撓度增大等病害，這嚴(yán)重影響了橋梁的使用，針對該現(xiàn)象文章對體外預(yù)應(yīng)力加固進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容有：橋梁加固方法分析、通過對案例進(jìn)行分析，表明病害產(chǎn)生的原因、對現(xiàn)狀橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)分析了結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生的原因，結(jié)合案例橋的實(shí)際情況，對加固方案及加固效果進(jìn)行了分析。通過以上內(nèi)容研究表明：體外預(yù)應(yīng)力加固可使橋梁抗裂性能提高，使橋梁正常使用功能得到恢復(fù)。

關(guān)鍵詞：混凝土橋梁;PC連續(xù)梁橋;撓度;橋梁加固

0 引言

城市橋梁在運(yùn)營過程中，由于材料的特性或環(huán)境影響等原因，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)不同程度的變形和損傷，最終導(dǎo)致橋梁承載能力不足而發(fā)生破壞。通常情況下將這些損傷和變形定義為橋梁的病害[1]。道路橋梁病害日益嚴(yán)重，給橋梁的使用帶來了嚴(yán)重影響，甚至造成橋梁事故。因此解決道路橋梁病害，對橋梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì)至關(guān)重要，文章研究為該問題提供了理論研究方法和加固措施[2]，具有一定的應(yīng)用意義。

1 橋梁加固方法

1.1 混凝土加固方法

混凝土主要病害表現(xiàn)為裂縫，針對該病害文章采取加固方式如下：

（1）當(dāng)裂縫寬度小于0.15 mm時(shí)，理論上認(rèn)定裂縫是可以自愈合的，該裂縫不影響結(jié)構(gòu)的正常使用，只需要對裂縫進(jìn)行封閉處理，不需要采取加固措施，只需做好混凝土的養(yǎng)護(hù)管理即可。該病害為一級病害。

（2）當(dāng)裂縫寬度為0.15 mm～0.2 mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行灌漿處理，此時(shí)裂縫不會造成結(jié)構(gòu)性能的變化，此時(shí)將病害認(rèn)定為二級病害。

（3）當(dāng)裂縫寬度為0.2 mm～0.3 mm，且裂縫位于結(jié)構(gòu)主要受力部位時(shí)，該裂縫會造結(jié)構(gòu)物承載能力降低，影響結(jié)構(gòu)的耐久性和使用性。此時(shí)可通過粘貼碳纖布的方式進(jìn)行修補(bǔ)，該裂縫認(rèn)定為三級病害。

（4）當(dāng)裂縫寬度大于0.3 mm，且裂縫位于結(jié)構(gòu)受力位置上時(shí)，導(dǎo)致承載力降低，鋼筋外露產(chǎn)生銹蝕。此時(shí)可通過體外預(yù)應(yīng)力加固的方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。此時(shí)裂縫認(rèn)定為四級病害。

1.2 鋼筋加固方法

鋼筋是否進(jìn)行加固是由銹蝕后的承載能力確定的，而鋼筋的承載能力是屈服強(qiáng)度決定的。本文中鋼筋的屈服強(qiáng)度可由以下公式確定[3]。

fys=（1-1.077ηs）·fy/（1-ηs）

fuc=（1-1.077ηs）·fu/（1-ηs）

fys表示腐蝕后鋼筋的屈服強(qiáng)度;fuc表示腐蝕后鋼筋的極限強(qiáng)度;ηs表示鋼筋的截面損失率;fy表示未腐蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度;fu表示未腐蝕鋼筋的極限強(qiáng)度。當(dāng)ηs>0.15時(shí)，按熱軋鋼筋處理。

通過以上公式判定銹蝕的鋼筋承載力是否滿足要求，如不滿足要求需對鋼筋進(jìn)行加固處理，其加固方法有：補(bǔ)焊鋼筋，粘貼鋼板，體外預(yù)應(yīng)力加固等[4]。

2 案例分析

2.1 工程概況

文章所依托工程為某地區(qū)一座PC連續(xù)梁橋，該橋的跨徑形式主要是（62+100+62）m對稱分布形式，橋梁長度為224 m。上部結(jié)構(gòu)梁體采用形式為變截面連續(xù)梁，橋面線型為雙向縱坡，橋梁豎曲線的半徑設(shè)置為9 000 m，支座采用的主要形式為盆式支座。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，成梅花形布置。邊跨的過渡墩為雙柱式，墩頂布置蓋梁，基礎(chǔ)形式采用鉆孔灌注樁，布置形式為雙排 6根。荷載等級：公路-Ⅰ級，總體布置如圖1所示。

2.2 病害原因分析

通過對原橋進(jìn)行實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該橋梁存在較多裂縫，主要分布位置為橋橋梁腹板，且內(nèi)側(cè)裂縫數(shù)量大于外側(cè)，主要分布于支點(diǎn)附近以及跨中位置，底板跨中位置橫向裂縫較多，頂板合攏位置縱縫較多，通過對裂縫病害分析可知，產(chǎn)生原因有以下幾點(diǎn)：

2.2.1 預(yù)應(yīng)力損失較大

通過分析研究表明：導(dǎo)致橋梁豎向預(yù)應(yīng)力損失的主要原因是預(yù)應(yīng)力鋼筋的長度較短，鋼筋產(chǎn)生回縮與錨夾具安裝時(shí)的誤差有直接關(guān)系;橋梁的施工質(zhì)量同樣對豎向預(yù)應(yīng)力有很大影響。案例橋梁采用的預(yù)應(yīng)力鋼筋為高強(qiáng)螺紋鋼筋，該鋼筋的預(yù)應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致腹板產(chǎn)生斜裂縫[5]。

2.2.2 縱筋預(yù)應(yīng)力損失較大

由于橋梁跨中位置承受彎矩較大，導(dǎo)致鋼筋產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失，因此在橋跨底板產(chǎn)生較多的橫向裂縫。橋梁在使用過程中底板承受的拉應(yīng)力較大，當(dāng)該應(yīng)力超過極限值時(shí)混凝土發(fā)生開裂。

2.2.3 溫度梯度影響

橋梁在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，忽略了溫度梯度帶來的橫向效應(yīng)。橋梁的箱梁結(jié)構(gòu)自身較大，在高度上存在不均勻溫差，頂板在溫度效應(yīng)作用下產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力被忽略。箱梁頂板沿橋方向上存在壓應(yīng)力，因此會產(chǎn)生橫向拉應(yīng)變，導(dǎo)致橋梁跨中合攏段產(chǎn)生縱向裂縫。

2.2.4 應(yīng)力計(jì)算錯(cuò)誤

橋梁在進(jìn)行主拉應(yīng)力計(jì)算時(shí)忽略了橫向應(yīng)力。主拉應(yīng)力計(jì)算公式如下所示[6]：

上式中：σx表示計(jì)算點(diǎn)混凝土的法向應(yīng)力;σy表示計(jì)算點(diǎn)混凝土豎向壓應(yīng)力;τ表示計(jì)算點(diǎn)混凝土的剪應(yīng)力。上式中未考慮因素為腹板橫向應(yīng)力，但在實(shí)際情況中箱梁腹板的受力狀態(tài)為三維受力，這種受力狀態(tài)決定了箱梁的內(nèi)側(cè)裂縫比外側(cè)裂縫多。

3 現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)分析

3.1 模型建立

文章利用Midas civil對所依托的橋梁進(jìn)行模型建立，對混凝土主梁進(jìn)行梁單元模擬，通過等效荷載的方式來代替體外預(yù)應(yīng)力加固。橋梁的支座約束通過一般支撐來進(jìn)行模擬。橋梁的有限元模型如圖2所示。模型建立過程中主梁的截面尺寸依據(jù)橋梁設(shè)計(jì)值模擬，梁段單元的劃分依據(jù)施工段進(jìn)行，全橋共88個(gè)單元。橋梁主梁的混凝土采用C50，彈性模量取值為3.45×104 MPa，泊松比取值0.2，混凝土容重26 kN/m3。橋梁縱向鋼筋采用低松弛的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，彈性模量取值為1.95×105 MPa。

3.2 荷載試驗(yàn)

為了解橋梁的承載能力和橋梁病害產(chǎn)生的原因，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，主要有靜力荷載試驗(yàn)和動(dòng)力荷載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：控制截面選取位置為邊跨0.46L截面、支點(diǎn)截面與中跨跨中三個(gè)位置。文章共設(shè)計(jì)3組中載加載方案，3組偏載加載工況，試驗(yàn)車的平均重量為352.6 kN。動(dòng)載試驗(yàn)與靜載試驗(yàn)采用的加載車輛相同，通過橋面的設(shè)計(jì)時(shí)速為：20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h，最后通過動(dòng)變量與靜變量的比值求出沖擊系數(shù)。

通過靜載試驗(yàn)的結(jié)果表明：橋梁的驗(yàn)算指標(biāo)均符合規(guī)范規(guī)定，因此設(shè)計(jì)荷載作用下，橋梁的剛度滿足要求。

通過動(dòng)載試驗(yàn)的結(jié)果表明：橋梁的一階自振頻率為3.13 Hz該值大于理論計(jì)算頻率1.09 Hz。車輛以40 km/h的速度通過橋面時(shí)，實(shí)際測得的沖擊系數(shù)為0.068，該值大于規(guī)范規(guī)定的0.05。說明設(shè)計(jì)荷載作用下，橋梁的剛度滿足要求。

通過對橋梁的動(dòng)荷載和靜荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知：橋梁的整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求，后期進(jìn)行橋梁加固時(shí)，對橋梁驗(yàn)算可通過最大沖擊系數(shù)進(jìn)行。

3.3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.3.1 預(yù)應(yīng)力損失

橋梁在進(jìn)行建設(shè)和運(yùn)行過程中，預(yù)應(yīng)力會受到施工質(zhì)量和材料質(zhì)量以及施工環(huán)境等方面因素的影響，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力低于設(shè)計(jì)理論值，情況較為嚴(yán)重時(shí)，會導(dǎo)致豎向預(yù)應(yīng)力失效。

3.3.2 重載交通

文章通過利用Midas civi軟件對橋梁進(jìn)行線彈性分析，分別計(jì)算橋梁在不同荷載作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況。并通過結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)來進(jìn)行控制截面的選取，截面分別選擇位置為：邊跨0.46L、中跨跨中與支點(diǎn)處截面，然后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行效應(yīng)分析。結(jié)果如表1所示。

通過對表1數(shù)值進(jìn)行分析可知：案例所依托的橋梁在重載車隊(duì)過橋時(shí)，能滿足安全性的要求，當(dāng)超重車隊(duì)通過橋面時(shí)，會使橋梁的安全狀態(tài)受到影響。

4 箱梁頂板分析

4.1 模型建立

文章通過有限元軟件ANSYS對箱梁頂板進(jìn)行模型建立，模型建立過程中忽略橋面鋪裝和箱梁之間的聯(lián)合作用。solid6單元為八節(jié)點(diǎn)單元，該單元是針對鋼筋混凝土設(shè)計(jì)。該單元的破壞準(zhǔn)則能夠有效對混凝土開裂進(jìn)行模擬，因此文章使用該單元對箱梁頂板進(jìn)行模擬;solid45單元為八節(jié)點(diǎn)單元，主要對箱梁的腹板和底板進(jìn)行模擬;link10單元對鋼絞線進(jìn)行模擬，橋梁模型采用的約束為橫向簡支約束，設(shè)置于箱梁底板的兩側(cè)位置。箱梁頂板有限元模型如圖3所示。

4.2 頂板分析

本節(jié)對橋梁頂板進(jìn)行受力分析時(shí)，主要考慮因素有：箱梁頂板自重、溫度梯度、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、橋面鋪裝、汽車荷載。通過對橋梁頂板的分析結(jié)果可知：橋梁頂板產(chǎn)生縱向裂縫，該病害發(fā)生的主要原因是溫度梯度和超載車輛二者共同作用發(fā)生的，同時(shí)也說明超載車輛是使橋梁產(chǎn)生病害的主要原因之一。因此在橋梁的建設(shè)和運(yùn)行過程中應(yīng)對橋梁加強(qiáng)管理，使橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的安全性。

5 體外預(yù)應(yīng)力加固

5.1 加固方案

文章所采用的體外預(yù)應(yīng)力加固方案主要目標(biāo)是使橋梁的正常使用功能得到恢復(fù)，使結(jié)構(gòu)具有較好的安全性，使橋梁的使用年限增長。在進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固時(shí)，控制截面選取病害多發(fā)的位置，該方法具有一定的代表性，對于橋梁裂縫寬度小于0.15 mm的，應(yīng)進(jìn)行封閉處理;當(dāng)裂縫寬度大于0.15 mm時(shí)，對裂縫進(jìn)行灌漿處理。該方法主要是使橋梁加固后能夠正常運(yùn)營。橋梁的跨中段、邊跨合龍段的箱梁頂板有較多的縱縫，為保證橋梁能夠達(dá)到正常使用狀態(tài)，文章對該裂縫進(jìn)行了黏貼碳纖維布處理，防止裂縫繼續(xù)發(fā)展。該橋梁進(jìn)行體外與預(yù)應(yīng)力鋼筋布置時(shí)，布置方式如圖4所示。

5.2 加固效果分析

通過對橋梁的現(xiàn)狀調(diào)查和橋梁汽車荷載試驗(yàn)，表明橋梁具有足夠的承載能力，橋梁在正常使用過程中的抗裂驗(yàn)算不符合設(shè)計(jì)要求，因此文章本節(jié)通過對橋梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固來進(jìn)行抗裂性能的分析，同時(shí)對加固后的混凝土進(jìn)行壓應(yīng)力驗(yàn)算。

5.2.1 結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算

通過對加固效果進(jìn)行分析可知：通過體外預(yù)應(yīng)力加固后，橋梁主梁邊跨、中跨跨中的抗裂性能有明顯當(dāng)?shù)奶岣摺D4所示的預(yù)應(yīng)力鋼筋布置形式可以有效解決橋梁預(yù)應(yīng)力不足的病害。

文章對12#箱梁的底板下緣、跨中底板、箱梁頂板上緣等位置進(jìn)行了抗裂驗(yàn)算，其結(jié)果說明：文章采取的體外預(yù)應(yīng)力加固可以使橋梁的正截面抗裂性能有所提高，進(jìn)行加固后橋梁抗裂驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求。通過對箱梁的斜截面進(jìn)行抗裂驗(yàn)算可知該性能同樣能滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2.2 混凝土抗壓驗(yàn)算

文章通過對主梁壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算可知：該加固方法有效增大正截面混凝土的壓應(yīng)力，但增大的數(shù)值較小。通過對橋梁的抗壓性能進(jìn)行驗(yàn)算可知，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可提高橋梁抗裂性能。

6 結(jié)語

本文通過對PC梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

（1）混凝土存在病害主要為裂縫，對裂縫進(jìn)行處理的方式有：裂縫寬度小于0.15 mm時(shí)，可對裂縫進(jìn)行封閉處理;裂縫寬度為0.15 mm～0.2 mm時(shí)，可對裂縫進(jìn)行灌漿處理;裂縫寬度為0.2 mm～0.3 mm，可對裂縫進(jìn)行粘貼碳纖維布處理;鋼筋的加固方式為補(bǔ)焊鋼筋，粘貼鋼板，體外預(yù)應(yīng)力加固。

（2）通過對案例進(jìn)行分析可知：橋梁產(chǎn)生病害的主要原因有：預(yù)應(yīng)力損失較大、溫度梯度影響、應(yīng)力計(jì)算錯(cuò)誤。通過對現(xiàn)狀橋梁進(jìn)行分析可知橋梁存在預(yù)應(yīng)力損失，且橋梁有重載車輛行駛，但橋梁的安全性能有所保障，當(dāng)超重車隊(duì)通過橋面時(shí)，會使橋梁的安全狀態(tài)受到影響。

（3）文章對橋梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固，通過對結(jié)構(gòu)抗裂性能、混凝土抗壓性能進(jìn)行驗(yàn)算可知，該加固方法可提高橋梁的抗彎抗裂性能，增加橋梁的使用年限。

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