預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋套箍鑲嵌補(bǔ)強(qiáng)加固分析

■樊秀生

（山西省公路局太原分局，太原 030012）

隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，很多公路橋梁結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)了一些病害，對(duì)安全運(yùn)行產(chǎn)生了不同程度的影響。 輕微的破損基本不會(huì)對(duì)橋梁運(yùn)行造成影響，而主體結(jié)構(gòu)的破損會(huì)直接影響橋梁的運(yùn)行安全。 很多橋梁在經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)使用后，經(jīng)歷了多次養(yǎng)護(hù)維修；而部分橋梁由于早期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高、主體結(jié)構(gòu)損壞等原因[1]出現(xiàn)承載能力不足的問(wèn)題，已不能滿(mǎn)足當(dāng)前交通運(yùn)輸?shù)囊螅叫柽M(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。 因此，本文以某大橋補(bǔ)強(qiáng)加固改造為研究背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查查明預(yù)制空心板存在的病害問(wèn)題及成因，并針對(duì)病害采用套箍鑲嵌技術(shù)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力空心板加固，加固后對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，確定補(bǔ)強(qiáng)加固效果。

1 橋梁病害調(diào)查分析

1.1 工程簡(jiǎn)介

某高速公路設(shè)計(jì)采用雙向四車(chē)道，整體式路基寬度為26 m，分離式路基寬度為13 m，設(shè)計(jì)車(chē)速100 km/h。 1# 大橋設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為326 m，橋面寬度為24.5 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用C50 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板。 橋跨組合為3×20 m+3×20 m+3×40 m+4×20 m，采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)設(shè)計(jì)，共4 聯(lián)。 橋梁下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩、肋板式臺(tái)，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

1.2 橋梁病害及成因

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)部分預(yù)制空心板受力筋位置不對(duì)，處于箍筋外，導(dǎo)致連續(xù)端負(fù)彎矩受力筋與混凝土之間的握裹力大幅下降。 全橋共計(jì)144 片預(yù)制空心板，調(diào)查發(fā)現(xiàn)有65 片存在以上問(wèn)題，其中預(yù)制板單端存在問(wèn)題的有34 片， 兩端均存在問(wèn)題的有31 片。

分析上述問(wèn)題產(chǎn)生的原因主要是由于項(xiàng)目所選用的錨墊板尺寸偏大、鋼筋綁扎不規(guī)范等導(dǎo)致負(fù)彎矩受力筋與錨墊板位置產(chǎn)生相互干涉，造成鋼筋位置變化，與設(shè)計(jì)不符。 按照設(shè)計(jì)圖紙，負(fù)彎矩鋼筋應(yīng)位于箍筋內(nèi)側(cè)，由于負(fù)彎矩受力筋與錨墊板位置之間的干涉造成約一半的鋼筋放在了箍筋外側(cè)，導(dǎo)致鋼筋與混凝土握裹力下降。

為確定空心板連續(xù)端負(fù)彎矩受力筋的握裹力大小， 隨機(jī)抽取3 塊預(yù)制空心板開(kāi)展抗拔試驗(yàn)，分別對(duì)內(nèi)側(cè)負(fù)彎矩鋼筋、外側(cè)負(fù)彎矩鋼筋的握裹力進(jìn)行檢測(cè)。 根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，得出在設(shè)計(jì)抗拔力達(dá)到80 kN時(shí)，外側(cè)負(fù)彎矩鋼筋沒(méi)有出現(xiàn)變形，混凝土沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，但內(nèi)側(cè)負(fù)彎矩鋼筋周?chē)幕炷脸霈F(xiàn)了明顯的開(kāi)裂現(xiàn)象。 再加上施工擾動(dòng)也會(huì)使彎矩受力筋的握裹力產(chǎn)生損失，因此必須對(duì)預(yù)制空心板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，以保證連續(xù)端具有足夠的強(qiáng)度和耐久性。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板加固方案

2.1 加固方案

根據(jù)上述調(diào)查和試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)應(yīng)力混凝土空心板加固方案應(yīng)從提高彎矩、控制開(kāi)裂入手，結(jié)合預(yù)制空心板構(gòu)造特點(diǎn)，擬采用套箍鑲嵌技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。 雖然采用預(yù)應(yīng)力加固方法也可以滿(mǎn)足要求，但考慮到其施工工序復(fù)雜、體外預(yù)應(yīng)力筋防腐難度大、施工人員的技術(shù)水平不高和后期養(yǎng)護(hù)成本高等因素[2-3]，沒(méi)有采用。 加固方案如下：（1）將現(xiàn)澆混凝土延伸到預(yù)制空心板空腔內(nèi)部，一直延伸到內(nèi)部膨大部分， 穿過(guò)平緩段并沿縱向延伸長(zhǎng)度不少于30 cm，形成一個(gè)“楔形”的套箍鑲嵌體，以提高預(yù)制空心板的抗彎強(qiáng)度， 套箍鑲嵌體構(gòu)造如圖1 所示，鋼筋構(gòu)造如圖2 所示。 （2）用“楔形”套箍鑲嵌體與兩側(cè)腹板將現(xiàn)澆連續(xù)段和板端固定牢固，進(jìn)而提高連續(xù)端的抗彎強(qiáng)度。 同時(shí)，“楔形”套箍鑲嵌體還可以提高預(yù)制空心板內(nèi)壁鋼筋保護(hù)層的厚度，進(jìn)而提升混凝土與受力主筋的握裹力，可有效防止內(nèi)側(cè)負(fù)彎矩鋼筋受力變形，也可以起到提供安全儲(chǔ)備的作用。 另外，為防止“楔形”混凝土造成預(yù)制空心板頂板出現(xiàn)“翹頂”現(xiàn)象[4]，在空心板空腔頂貼1 層厚度為1 cm 的塑料泡沫。

圖1 “楔形”套箍鑲嵌體構(gòu)造

圖2 楔形體的鋼筋構(gòu)造圖

2.2 套箍鑲嵌體所能提供的彎矩計(jì)算

“楔形” 套箍鑲嵌體可以提高預(yù)制空心板連續(xù)段的彎矩，而彎矩的大小與受力面積與力臂的長(zhǎng)短有關(guān)，利用橋梁博士V4 軟件對(duì)“楔形”套箍鑲嵌體可提供的最大彎矩進(jìn)行計(jì)算，其有效受力區(qū)與應(yīng)力按圖3 計(jì)算。

圖3 “楔形”套箍鑲嵌體有效受力區(qū)和應(yīng)力示意圖

在考慮混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中收縮變形和空腔頂貼膜影響的情況下， 豎向受壓高度按65 cm 考慮。按照設(shè)計(jì)圖紙中的相關(guān)數(shù)據(jù)，主梁采用C50 混凝土，其受壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度22.6 MPa，“楔形”套箍鑲嵌體所能提供的最大彎矩：Mmax=（22.6+0）×106/2×0.3×0.65×（0.65×2/3）×2×0.85=1622 kN·m。根據(jù)加固前計(jì)算結(jié)果，20 m 預(yù)制空心板單側(cè)支點(diǎn)所能提供的彎矩為580 kN·m 左右， 按公路-I 級(jí)荷載要求彎矩應(yīng)不少于970 kN·m。 因此，采用“楔形”套箍鑲嵌體加固后預(yù)制空心板兩側(cè)支點(diǎn)的彎矩滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且具有較高的安全儲(chǔ)備。

2.3 結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)充設(shè)計(jì)

預(yù)制空心板在采用“楔形”套箍鑲嵌體加固后，經(jīng)試算結(jié)構(gòu)抗剪力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求， 但裂縫寬度0.24 mm 超過(guò)了設(shè)計(jì)要求（0.2 mm），說(shuō)明墩頂結(jié)構(gòu)的彎矩不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 因此，在墩頂3 m 范圍內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力筋，其中中板2 排，邊板3 排，預(yù)應(yīng)力筋平面布置如圖4 所示。 預(yù)應(yīng)力筋選用Φ32 mm 冷拉IV 級(jí)精軋螺紋鋼筋，預(yù)應(yīng)力筋張拉力為160 kN，可起到抑制預(yù)制空心板開(kāi)裂的作用。

圖4 預(yù)應(yīng)力筋平面布置示意圖

3 套箍鑲嵌體加固后數(shù)值計(jì)算

3.1 承載能力極限狀態(tài)分析

按照極限荷載組合，對(duì)預(yù)制空心板現(xiàn)澆連續(xù)段各單元受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，以13、14 號(hào)節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象， 利用橋梁博士V4 軟件得出的計(jì)算結(jié)果如表1所示。 可知，采用套箍鑲嵌體加固后預(yù)制空心板抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1 預(yù)制空心板現(xiàn)澆連續(xù)段各單元受力狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

3.2 正常使用極限狀態(tài)分析

本橋梁驗(yàn)算按A 類(lèi)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)[5]對(duì)預(yù)制空心板裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算，補(bǔ)強(qiáng)加固后在持久狀況下極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。 以13、14 號(hào)節(jié)點(diǎn)為例，采用橋梁博士V4 軟件計(jì)算現(xiàn)澆連續(xù)段裂縫寬度， 計(jì)算結(jié)果如表2 所示，使用階段彎矩包絡(luò)圖和上下緣應(yīng)力圖如圖5、6 所示。

表2 預(yù)制空心板補(bǔ)強(qiáng)加固后現(xiàn)澆連續(xù)段裂縫寬度計(jì)算結(jié)果

圖5 預(yù)制空心板補(bǔ)強(qiáng)加固后使用階段彎矩包絡(luò)圖

圖6 預(yù)制空心板補(bǔ)強(qiáng)加固后上下緣應(yīng)力圖

通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，補(bǔ)強(qiáng)加固后預(yù)制空心板裂縫寬度均小于0.20 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。空心板現(xiàn)澆連續(xù)段抗彎強(qiáng)度明顯提升， 上下緣應(yīng)力明顯改善，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

以預(yù)制空心板橋梁加固為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定橋梁空心板存在的問(wèn)題和成因，對(duì)比分析后選擇套箍鑲嵌對(duì)空心板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，并在加固后利用橋梁博士軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，分析得出以下結(jié)論：（1）在承載能力極限狀態(tài)，利用軟件對(duì)補(bǔ)強(qiáng)加固后空心板節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩計(jì)算結(jié)果為1622 kN·m，滿(mǎn)足JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中不小于970 kN·m 的要求，說(shuō)明采用套箍鑲嵌補(bǔ)強(qiáng)加固后彎矩得到了有效提升；（2）在正常使用極限狀態(tài)下，補(bǔ)強(qiáng)加固后預(yù)制空心板現(xiàn)澆連續(xù)段上緣和下緣裂縫寬度計(jì)算結(jié)果均小于0.20 mm，滿(mǎn)足上述橋梁規(guī)范要求。 綜上所述，預(yù)制空心板采用套箍鑲嵌加固后，彎矩不足和裂縫寬度過(guò)大等問(wèn)題得到了有效解決，補(bǔ)強(qiáng)加固后預(yù)制空心板現(xiàn)澆連續(xù)段抗彎、 抗剪能力均得到了明顯提升，且具有較高的安全儲(chǔ)備。