既有PC橋梁上部結構加固方法分析

楊芬,張華

摘 要：隨著我國基建事業的迅速發展，我國橋梁建設技術已經名譽世界，高速公路的行車安全以及橋梁的正常使用，能夠使我國經濟平穩發展。我國橋梁建設中，最多的是混凝土橋梁。隨著使用年限的增長，結構會出現損傷，影響通行能力甚至橋梁出現安全問題。針對該現象文章對橋梁加固進行了研究，主要內容有：對橋梁加固的方法進行了分析，通過實際工程分析了病害產生的原因，通過對橋梁建模分析體外預應力加固的效果。通過以上內容研究，結果表明：該加固方法可以提高橋梁上部結構的抗裂性能。

關鍵詞：預應力混凝土;體外預應力加固;PC連續梁橋;橋梁加固

0 引言

我國對橋梁加固的分析研究起步較晚，研究初期，通過大量的試驗和工程實踐，積累了一些經驗，使橋梁加固事業在我國開始取得成就。黃建鋒[1]通過破壞試驗證明：通過增大截面加固橋梁，能夠提高結構自身的承載能力。王元棟[2]通過改進增大截面法來研究橋梁的受力狀態，結果表明該方法可提高斜截面的抗剪強度。王文煒[3]通過分析表明：行車荷載下，通過碳纖維布對橋梁進行加固，可有效提高橋梁的抗彎承載能力。張延年[4]通過試驗分析表明：粘貼碳纖維布可以提高橋梁的抗彎能力，以及屈服后梁的剛度。通過以上學者研究，橋梁加固項目取得了一定的成績，但該課題的研究還有一定空間，因此文章具有一定的意義。

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為裂縫，針對該病害文章采取加固方式如下：

（1）當裂縫寬度小于0.15 mm時，理論上認定裂縫是可以自愈合的，該裂縫不影響結構的正常使用，不需要采取加固措施只需做好混凝土的養護管理即可。該病害為一級病害。

（2）當裂縫寬度為0.15 mm～0.2 mm時，利用水泥砂漿進行裂縫修補，此時裂縫寬度不會造成結構性能發生變化，此時將病害認定為二級病害。

（3）當裂縫寬度為0.2 mm～0.3 mm，裂縫位于結構受力的位置上，該裂縫會造成承載能力降低，影響結構的耐久性和使用性。補救方式可采用水泥漿或纖維玻璃布。該裂縫認定為三級病害。

（4）當裂縫寬度大于0.3 mm，且裂縫位于結構受力位置上時，導致承載力降低，鋼筋外露產生銹蝕。此時必須對結構進行澆筑混凝土的方法加固補強。此時裂縫認定為四級病害。

1.2 鋼筋加固方法

鋼筋是否進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度決定的。本文中鋼筋的屈服強度可由以下公式確定[5]。

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度;fuc表示腐蝕后鋼筋的極限強度;ηs表示鋼筋的截面損失率;fy表示鋼筋在沒受到腐蝕時的屈服強度;fu表示鋼筋在沒受到腐蝕時的極限強度。當ηs>0.15時，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行加固處理，其加固方法有：補焊鋼筋，粘貼鋼板，體外預應力加固等[6]。

2 案例分析

2.1 工程概況

文章所依托工程為某地區一座PC連續梁橋，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。上部結構梁體采用形式為變截面連續梁，橋面線型為雙向縱坡，橋梁豎曲線的半徑設置為9 000 m，支座采用的主要形式為盆式支座。橋梁下部結構采用鉆孔灌注樁，成梅花形布置。邊跨的過渡墩為雙柱式，墩頂布置蓋梁，基礎形式采用鉆孔灌注樁，布置形式為雙排6根。通過對橋梁進行分析表明：橋梁的整體剛度滿足設計要求，后期進行橋梁加固時，對橋梁驗算可通過最大沖擊系數進行。橋梁的預應力損失較為嚴重，且超重車隊通過橋面時，會使橋梁的安全狀態受到影響。

2.2 病害原因分析

通過對原橋進行實地調查發現該橋梁存在較多裂縫，主要分布位置為橋梁腹板，且內側裂縫數量大于外側，主要分布于支點附近以及跨中位置，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，產生原因有以下幾點：

2.2.1 預應力損失較大

通過分析研究表明：導致橋梁豎向預應力損失的主要原因是預應力鋼筋的長度較短，鋼筋產生回縮與錨夾具安裝時的誤差有直接關系;橋梁的施工質量同樣對豎向預應力有很大影響。案例橋梁采用的預應力鋼筋為高強螺紋鋼筋，該鋼筋的預應力達不到設計要求，導致腹板產生斜裂縫。

2.2.2 彎矩較大

由于橋梁跨中位置承受彎矩較大，導致鋼筋產生較大的預應力損失，因此在橋跨底板產生較多的橫向裂縫。橋梁在使用過程中底板承受的拉應力較大，當該應力超過極限值時混凝土發生開裂。

2.2.3 溫度梯度影響

橋梁在進行結構分析時，忽略了溫度梯度帶來的橫向效應。橋梁的箱梁結構自身較大，在高度上存在不均勻溫差，頂板在溫度效應作用下產生的橫向拉應力被忽略。箱梁頂板沿橋方向上存在壓應力，因此會產生橫向拉應變，導致橋梁跨中合攏段產生縱向裂縫。

2.3 箱梁頂板分析

2.3.1 模型建立

文章通過有限元軟件ANSYS對箱梁頂板進行模型建立，模型建立過程中忽略橋面鋪裝和箱梁之間的聯合作用。solid6單元為八節點單元，該單元是針對鋼筋混凝土設計。該單元的破壞準則能夠有效對混凝土開裂進行模擬，因此文章使用該單元對箱梁頂板進行模擬;solid45單元為八節點單元，主要對箱梁的腹板和底板進行模擬;link10單元對鋼絞線進行模擬，橋梁模型采用的約束為橫向簡支約束，設置于箱梁底板的兩側位置。箱梁頂板如圖1所示。

2.3.2 頂板分析

本節對橋梁頂板進行受力分析時，主要考慮因素有：箱梁頂板自重、溫度梯度、預應力效應、橋面鋪裝、汽車荷載。通過對橋梁頂板的分析結果可知：橋梁頂板產生縱向裂縫，該病害發生的主要原因是溫度梯度和超載車輛二者共同作用發生的，同時也說明超載車輛是使橋梁產生病害的主要原因之一。因此在橋梁的建設和運行過程中應對橋梁加強管理，使橋梁結構具有一定的安全性。

3 體外預應力加固

3.1 加固方案

文章所采用的體外預應力加固方案主要目標是使橋梁的正常使用功能得到恢復，使結構具有較好的安全性，使橋梁的使用年限增長。在進行體外預應力加固時，控制截面選取病害多發的位置，該方法具有一定的代表性。該方法主要是使橋梁加固后能夠正常運營。橋梁的跨中段、邊跨合龍段的箱梁頂板有較多的縱縫，為保證橋梁能夠達到正常使用狀態，文章對該裂縫進行了黏貼碳纖維布處理，防止裂縫繼續發展。該橋梁進行體外預應力鋼筋布置時，布置方式如圖2所示。

3.2 加固效果分析

通過對橋梁的現狀調查和橋梁汽車荷載試驗，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算不符合設計要求，因此文章本節通過對橋梁進行體外預應力加固來進行抗裂性能的分析，同時對加固后的混凝土進行壓應力驗算。

3.2.1 結構抗裂驗算

通過對加固效果進行分析可知：通過體外預應力加固后，橋梁主梁邊跨、中跨跨中的抗裂性能有明顯當的提高。圖2所示的預應力鋼筋布置形式可以有效解決橋梁預應力不足的病害。

文章對箱梁的底板下緣、跨中底板、箱梁頂板上緣等位置進行了抗裂驗算，其結果說明：文章采取的體外預應力加固可以使橋梁的正截面抗裂性能有所提高，進行加固后橋梁抗裂驗算滿足設計要求。通過對箱梁的斜截面進行抗裂驗算可知該性能同樣能滿足設計要求。

3.2.2 混凝土抗壓驗算

文章通過對主梁壓應力進行計算可知：該加固方法有效增大正截面混凝土的壓應力，但增大的數值較小，同時滿足規定要求。通過對橋梁的抗壓性能進行驗算可知，體外預應力加固技術可提高橋梁抗裂性能。

4 結語

本文通過對PC梁橋體外預應力加固進行分析得出以下結論：

（1）混凝土存在病害主要為裂縫，其加固方式為澆筑混凝土;鋼筋的加固方式為補焊鋼筋，粘貼鋼板，體外預應力加固。

（2）通過對案例進行分析可知：橋梁產生病害的主要原因有：預應力損失較大、溫度梯度影響、應力計算錯誤。通過對現狀橋梁進行分析可知橋梁存在預應力損失，且橋梁有重載車輛行駛，但橋梁的安全性能有所保障，當超重車隊通過橋面時，會使橋梁的安全狀態受到影響。

（3）文章對橋梁進行體外預應力加固，通過對結構抗裂性能、混凝土抗壓性能進行驗算可知，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。

參考文獻：

[1]許冰，苗建寶.體外預應力加固轉向裝置設計與受力特性研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2020（5）：881-885+891.

[2]胡利人.橋梁加固施工技術的應用研究[J].交通世界，2020（27）：98-99.

[3]趙強.體外預應力加固橋梁中的轉向塊的設計和分析[J].中國水運，2020（8）：151-153.

[4]蔣伍林.體外預應力技術在梁式橋梁加固中的應用[J].中阿科技論壇（中英文），2020（8）：106-108.

[5]趙艷峰，王雷.預應力技術在高速公路橋梁加固中的應用分析[J].粘接，2020（7）：175-179.

[6]張碩.公路橋梁施工中體外預應力加固關鍵技術研究[J].黑龍江交通科技，2020（7）：149-150.