體外預應力在橋梁蓋梁加固中的應用

常樹林

(云南省紅河公路局，云南 紅河 661100)

隨著公路網的密織，公路貨運比重持續增大，重載車輛亦隨之增多，一些橋梁的運營荷載較設計荷載嚴峻許多，促使橋梁進入了新建與維護加固并重的一個發展階段。一些橋齡較長的橋梁因構件截面尺寸、配筋等原因，導致抗彎能力不足，在運營中開裂直至損毀，安全形勢不容樂觀。本文通過一座因蓋梁配筋不足，其懸臂根部豎向開裂的簡支空心板橋為例，因裂縫產生位置及縫寬、縫長已不具備采用貼碳纖維布和貼鋼板等常規的加固措施來補救，只有對原蓋梁鑿除重新澆筑或體外預應力進行加固處治。經建模計算后，采用預應力鋼絞線對原蓋梁進行加固，能使其抗彎承載力恢復并達到現行荷載標準要求，且有一定的承載力儲備。特撰此文，以供今后的類似橋梁加固作參考。

1 項目概況

1.1 工程概述

云南南部某省道二級公路上的一座預應力混凝土空心板中橋于2000年初建成通車，為跨越箐溝而設，平面位于直線上，縱面縱坡3%；橋梁全長86.6 m，橋寬13.5 m；橋梁上部結構為3 m×20 m預應力混凝土空心板，結構簡支橋面連續，每跨布梁13片；空心板為裝配式后張法預應力空心板，板高0.85 m，板寬1 m；下部結構為普通鋼筋混凝蓋梁長13.5 m、寬1.6 m、高1.2 m，懸臂長1.85 m，圓形三柱墩，重力式橋臺。橋梁下部照片如圖1所示。

圖1 橋梁下部照

1.2 原橋技術標準

橋寬：凈13 m+2×0.25 m工藝欄桿，橋面橫坡雙向2%；荷載等級：汽-超20，掛車-120。

車道數：雙向4車道；上部結構：20 m結構簡支空心板，板高0.85 m，板寬1 m； 橫橋向布梁片數：13片空心板；C25混凝土蓋梁：長13.5 m、寬1.6 m、高1.2 m，懸臂長1.85 m。

1.3 橋梁主要病害

在2016年橋梁檢測中，全橋2個蓋梁均在懸臂根部出現豎向裂縫，懸臂長1.85 m，裂縫情況如下:

(1)1#蓋梁A面距左側2.3 m處有1條自蓋梁頂面向下延伸的豎向裂縫，=75 cm，=0.4 mm(如圖2)；距右側1.2、1.68 m處各有1條自蓋梁頂面向下延伸的豎向裂縫，為25～27 cm，為0.1～0.16 mm；

圖2 1#蓋梁A面典型裂縫示意

B面在距左側2.16 m處有1條自蓋梁頂面向下延伸的豎向裂縫，=42 cm，=0.92 mm；距右側1.66 m處有1條豎向裂縫，=21 cm，=0.1 mm；

(2)2#蓋梁A面距左側2.28 m、3.37 m處各有1條自蓋梁頂面向下延伸的豎向裂縫，h為70～98 cm，為0.4～0.48 mm；距右側1.9 m、2.6 m 處各有1條自蓋梁頂面向下延伸的豎向裂縫，為23～46 cm，=0.12 mm；

B面在距左側1.8、2.3和2.93 m處各有1條自蓋梁頂面向下延伸的豎向裂縫為55～96 cm，為 0.4～0.6 mm(如圖3)。

圖3 2#蓋梁B面典型裂縫示意

(3)C25蓋梁混凝土強度采用回彈儀無損檢測，推算強度均大于25 MPa，混凝土強度狀態較好。

本橋檢測技術狀況綜合評定為4類；裂縫寬度已經超過規范容許的最大值0.2 mm，初步估計裂縫原因為懸臂根部抗彎強度不足產生，故對蓋梁結構進行復算后，再采用針對性加固措施提升橋梁的技術狀況。

2 蓋梁結構復算

原橋梁設計荷載等級為汽車-超20級，驗算荷載掛車-120；原橋結構檢算荷載與現行設計規范中公路-Ⅰ級荷載效應相當，故本次計算采用公路-1級。

2.1 結構檢算參數的確定

檢算截面位置的確定

根據蓋梁的受力特點，按照《公路橋梁承載能力評定規程》(JTG/T J21—2011)規定進行結構檢算。

橋面橫向布置

橋面凈寬13 m，最多可以按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)中要求，橫向布置4個車道，橋梁下部蓋梁總長為13.5 m，對蓋梁可以按規范要求的設計荷載，進行橫向影響線的加載。

截面幾何尺寸

按照該橋橋竣工圖紙并結合現場復檢資料確定：長13.5 m、寬1.6 m、高1.2 m，懸臂長1.85 m，未對截面幾何尺寸進行折減。

計算參數

原竣工圖蓋梁采用C25混凝土，受拉區普通鋼筋為φ22的Ⅱ級鋼筋，鋼筋保護層厚度為30 mm，按照普通鋼筋混凝土構件進行檢算。混泥土和鋼筋材料特性分別如表1、表2所示。

表1 C25混凝土材料特性表

表2 Ⅱ級鋼筋材料特性表

2.2 計算荷載

結構重力

根據上部結構的布置，結構的自重按結構的容重及結構尺寸確定，混凝土與瀝青混凝土容重取26 kN/m和24 kN/m。

活載

1～4個車道，公路為Ⅰ級。

混凝土收縮徐變

相對濕度70%，加載齡期按28 d計算，計算參數按照JTG 3362—2018相關規定取值，計算時間取3 650 d。

荷載組合

按照JTG 3362—2018相關規定組合，其中承載能力極限狀態——基本組合下的彎矩包絡圖如圖4所示(對稱僅取一半蓋梁)。彎矩峰值分別為1 980.7、1 258.1、1 102.9 kN·m。考慮墩柱支承寬度的折減后，彎矩峰值如圖5所示。

圖4 蓋梁彎矩包絡圖

圖5 蓋梁懸臂彎矩峰值考慮墩柱支承寬度的折減

2.3 承載能力極限狀態驗算

蓋梁懸臂彎矩峰值折減后，驗算一個蓋梁懸臂根部的抗彎承載力，結果如圖6所示。

圖6 蓋梁懸臂根部抗彎驗算

由計算可知，蓋梁懸臂根部抗彎至少需要16根HRB335鋼筋，而竣工圖中受拉區有效抗彎鋼筋僅11根，不能滿足抗彎承載力要求，需對蓋梁進行加固處理。原設計正截面抗彎驗算結果如表3所示。

表3 原設計正截面抗彎驗算

3 蓋梁加固設計構思

計算表明原蓋梁抗彎配筋不足，是懸臂處產生豎向裂縫的根本原因，不能滿足現行荷載要求，故加固的目的要提高蓋梁抗彎能力滿足現行荷載要求，且具有一定的安全儲備，保證運營的安全。

因常規的粘貼鋼板加固，鋼板替代少設的抗彎補強鋼筋，受鋼板和混凝土粘接面的可靠性和耐久性的影響較大，可能再次出現超限裂縫，不能使用。故對于此類少筋抗彎能力不足相對可行的方案主要有3種：(1)體外預應力加固；(2)更換蓋梁；(3)增大截面加固。此3種加固方法比較如表4所示。

表4 蓋梁加固技術方案對比表

由表4綜合比較技術方案的構造合理性、施工難度、工藝成熟度、質量、工期等因素，豎向裂縫從蓋梁頂面向下延伸，并未完全貫通，病害不是很嚴重；同時，需考慮施工作業對交通安全、結構安全的影響程度以及加固改造后結構耐久性等方面的影響，采用體外預應力對本橋蓋梁進行加固。

蓋梁施加預應力加固體系主要有3種：(1)體外預應力鋼絞線加固體系；(2)高強鋼絲繩預應力加固體系；(3)碳纖維板預應力加固體系。針對本橋蓋梁實際對這3種預應力加固體系比較如表5所示。

表5 預應力加固體系對比表

本次以修復且抑制裂縫開展繼續擴大、加固結構補強為宗旨，使其承載力恢復至原設計荷載水平，并達到現行規范荷載標準要求，且適當增加蓋梁承載力儲備。綜合上表各預應力加固方案對比情況，并考慮病害情況、工程造價、施工難度、工期及材料、工藝質量的保證等，采用預應力鋼絞線對蓋梁進行加固。

4 加固設計

4.1 加固設計主要內容

針對蓋梁已有病害情況，預應力鋼絞線加固遵循標本兼治，安全適用、技術可靠的原則；既考慮各種病害導致結構承載力的降低，也考慮加固措施及其施工過程對結構承載力的不利影響，尤其是對原結構的損傷應盡量降低，保證耐久運營之目的。

加固設計主要內容：先對蓋梁裂縫進行封縫或灌縫處理，再采用體外預應力的方式進行加固。在蓋梁每側面設置2束5×φ15.24預應力鋼絞線，即每個蓋梁共設4束，錨具為BM15-5型，張拉控制應力為1 300 MPa，預應力鋼絞線布置如圖7所示。

圖7 蓋梁體外預應力鋼絞線布置

4.2 預應力加固計算

為提高蓋梁懸臂根部的抗彎承載能力，現擬對蓋梁進行體外預應力加固，采用在蓋梁縱向兩側各增設2束5×φS15.2鋼絞線的體外預應力，對原蓋梁進行加固。

圖8 蓋梁抗彎承載力包絡圖

表6 加固后基本組合懸臂根部正截面抗彎驗算

表7 折減后基本組合跨中正截面抗彎驗算

檢算結論為：原橋極限承載能力滿足規范要求。依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)，當橋梁結構或構件的承載能力檢算系數評定標度>3時，應進行正常使用極限狀態評定計算(按A類預應力構件計算)。正常使用極限狀態驗算，具體結果如圖9～圖11所示。

圖9 短期組合正截面抗裂驗算

圖10 長期組合正截面抗裂驗算

圖11 持久狀況標準組合壓應力驗算

C25砼-≤06=07×178=1246 MPa，截面均處于受壓狀態，滿足規范要求。

-≤0，僅局部截面出現較小的拉應力，此處仍滿足B類預應力構件要求。

持久及短暫狀況應力計算+≤05=05×167=835 MPa，經計算截面上下緣壓應力滿足規范要求。

5 體外預應力的施工要點

5.1 總體步驟

施工流程

施工準備→搭設施工平臺→探測錨固端主筋位置→新增錨固塊放樣→打磨錨固面→鉆孔及孔內處理→植入錨栓→安裝錨固塊→穿束→張拉體外預應力鋼束→錨頭防護處理、螺栓防護處理。

預應力張拉

張拉順序先張拉側面下束，再張拉上束，兩側對稱張拉；張拉方法為兩端同時張拉。

5.2 施工工藝及要點

(1)種植錨固塊錨栓時，須邊打孔與邊植錨栓，不可全部打孔后再進行種植錨栓。鉆孔前可用探測儀標明主筋位置，若沖突，應適當調整鉆孔位置；

(2)種植錨栓時，先用壓縮空氣吹凈孔內粉塵，然后用毛刷、棉布將孔壁反復刷凈，再用棉布蘸丙酮拭凈孔壁，將膠粘劑注到孔深的2/3，在插入錨栓后孔周邊要有少許膠料溢出。待植筋膠固化后3～4 d可作拉拔試驗，合格后進行下道工序。植筋用膠必須采用專用改性環氧膠粘劑、改性乙烯基酯膠粘劑或改性氨基甲酸酯膠粘劑，其力學性能指標應符合表8的性能要求；

表8 錨固用膠粘劑的物理力學性能指標

(3)穿布預應力束。穿束時注意不要損壞鋼絞線外的PE護套。張拉完畢后，PE套管距工作錨板大于等于300 mm；

(4)張拉預應力束。預應力束穿束就位后，即可進行張拉，為了消除張拉順序引起的彈性變形損失，采用分二級張拉來調整兩側鋼絞線的預加力基本相等。

(5)施加張拉力。蓋梁兩側預應力鋼束對稱同時張拉，張拉力施加步驟：0→15%δcon→0→50%δcon→80%δcon→100%δcon→錨固，每個張拉階段持荷5 min；

(6)在張拉時，須中斷交通，且對蓋梁控制截面進行監控；

(7)應對所有鋼構表面進行防腐處理，環氧富鋅底漆3層，每層厚度30 μm；灰云氯化橡膠面漆4層，每層厚度35 μm。外漆涂刷前應調配顏色，盡量與混凝土顏色一致。

6 結語

本橋采用預應力鋼絞線加固施工完畢至今已6年多，加固效果理想。此蓋梁懸臂根部豎向裂縫采用體外預應力加固后，較大幅度的提高了其承載能力，也明顯改善了結構的使用性能。在加固中關鍵還是根據病害情況，確定加固方法，再建模分析計算后，決定施加預加力的大小和方法，且在施工時嚴格遵守相關規范與材料要求，并不斷優化工藝，才能保證橋梁的加固效果。