預應力高強鋼絲繩加固橋梁效果分析

康 瑾 陳順超 董春彥 鄭維龍

（西南林業大學土木工程學院，云南 昆明 650224）

0 引言

隨著橋梁在役年限的增長，加之日常使用過程中受到日曬雨淋、熱脹冷縮等外在環境因素影響以及超載車輛的反復碾壓，橋梁的病害越來越多，橋梁的安全耐久使用性越來越低，導致最近這幾年發生了許多橋梁安全問題，給人們的生活生產帶來了很多不利影響和損失。而針對這些橋梁，對其全部翻新不符合經濟科學的要求，為了極大地提高舊橋的承載能力，迫使舊橋維修加固成為熱點話題，舊橋加固研究、交工質量評價以及加固效果評價正日益受到重視。而對于其加固后的交工質量以及加固效果評價也是目前亟待解決的一大難題。

對于橋梁加固，當下很少有加固方法能在幾乎不加大結構自重、不減少橋下凈空的前提下，既能明顯提高結構的剛度和最大承載力，又能很好地利用所加固材料，并且不發生黏結破壞，且加固后的構件依然有很好的延性。聚合物砂漿預應力鋼絲繩加固技術可更好地改善當下加固措施中面臨的主要困境，達到加固目的［1］。

1 工程概況

K82+239水庫4#橋位于該線K82+239處，于2012年4月建成通車。橋梁全長216.4 m，橋梁寬度為10 m，行車道寬度為9 m，上部結構為7 m×30 m預應力混凝土結構連續T梁，分為4 m×30 m+3 m×30 m共兩聯；下部結構為圓形雙柱墩，輕型橋臺。

2 預應力高強鋼絲繩加固

2.1 預應力高強鋼絲繩加固原理

預應力高強鋼絲繩［2-3］加固技術主要通過主動對梁體施加預應力，為結構提供主動的應力，而且是梁體出現裂縫后進行的主動加固技術，同時起到了對裂縫封閉的作用。采用此方法加固橋梁，能夠有效地規避其他加固方法存在的缺點，基本上不增加梁體的自重，占用橋下空間小，并能明顯提高梁體的剛度和最大承載力。同時加固材料能夠很好地被利用，而且不發生黏結破壞，工藝簡單并且施工方便，經濟效益高，是一種優良的抗彎加固手段。與傳統的被動加固模式相比，預應力鋼絲繩加固技術的加固思路是利用鋼絲繩體良好的抗拉性能，對結構提供預應力實施主動加固，待鋼絲繩張拉到位后，在鋼絲繩外側涂抹或澆筑聚合物砂漿［4-5］，對鋼絲繩進行防護。

采用小直徑的高強鋼絲繩施加預應力，并將預應力高強鋼絲繩與混凝土原結構內部已經存在的受力鋼筋（或者預埋的化學螺栓）在構件兩端錨固成為一個整體，此時梁底纖維與鋼絲繩共同作用，從而加強梁整體的抗彎性能［6-8］。

2.2 撓度計算方法

可依據預應力混凝土梁撓度計算方法，預應力鋼絲繩加固橋梁的撓度主要由3部分組成［9］：荷載作用產生的撓度f2，mm；預應力引起的上拱撓度f1，mm；預應力損失引起的撓度fs，mm；目前，預應力損失通常只考慮張拉和放張過程對梁的反拱作用，即式（1）。

2.2.1 開裂后截面剛度。開裂截面的換算為截面慣性矩Icr，如式（2）。

開裂截面剛度Bcr如式（3）。

2.2.2 預應力鋼絲繩加固梁撓度。預應力產生的撓度f1如式（4）。

式中：Np為鋼絲繩的有效預應力，MPa；ep為鋼絲繩有效預應力的偏心距，mm；l0為預應力鋼絲繩的計算跨徑，mm。

荷載產生的撓度f2如式（5）。

式中：S為與荷載種類和支撐種類有關的撓度系數；M為使用彎矩值，N·mm；l為受彎梁的計算跨徑，mm。

3 加固前后靜載試驗對比分析

為檢驗預應力高強鋼絲繩的實際加固效果，該橋加固完成后進行靜載試驗，測量試驗荷載作用下主梁撓度。將試驗數據與加固前荷載試驗數據同理論計算值對比，檢驗該橋上部結構實際工作狀態，分析結構受力的改善效果。

3.1 荷載工況及加載方案

橋梁靜載試驗工況及測試截面遵循構件最不利受力原則進行確定。實際加載按各測試截面的最不利效應進行布載，同時考慮到現場加載條件，本次試驗包括4種試驗荷載工況，具體如圖1所示。

圖1 靜載試驗測試截面示意圖（單位：m）

工況一：順橋向JM1截面最大正彎矩，橫橋向為偏載布置。

工況二：順橋向JM1截面最大正彎矩，橫橋向為中載布置。

工況三：順橋向JM2截面最大正彎矩，橫橋向為偏載布置。

工況四：順橋向JM2截面最大正彎矩，橫橋向為中載布置。

3.1.1 撓度測點布置。測試截面上撓度測點布置于預應力混凝土結構連續T梁底部，測點布置時，采用在T梁底部懸掛重物的方法，將T梁底部接觸位置引至地面，然后采用百分表測試；當橋下測試有困難時，也可將測點布置于橋面，采用精密水準儀的優勢對撓度值進行測量。具體的撓度測點布置如下：JM1、JM2截面，每個截面橫向布置4個撓度測點，具體如圖2所示。

圖2 靜載試驗撓度測點布置示意圖

3.1.2 加載方案。在現場實施實橋加載時，靜載加載位置采用防撞護墻內邊緣作為參考邊從左往右進行加載位置的確定，偏載最左側車左后輪兩輪中間距左側防撞護墻50 cm，隨后按車兩輪間距180 cm以及兩車最小間距130 cm布置第二排車；中載最左側車左后輪兩輪中間距左側防撞護墻205 cm，隨后布置同偏載方法，詳細布置圖如圖3、圖4所示。

圖3 所有偏載工況荷載橫向示意圖（單位：cm）

圖4 所有中載工況荷載橫向示意圖（單位：cm）

通過軟件模擬對模型采用原公路-Ⅱ級計算，得到各工況的荷載試驗效率如表1所示。

表1 橋梁荷載試驗效率一覽表

根據表1所示，在加載車的加載下各個靜載工況試驗效率處于0.95～1.02之間，滿足《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG-T J21-01—2015）在用橋梁荷載試驗效率0.95～1.05的要求，可對實橋進行各工況加載。

3.2 加固前后靜載試驗對比分析

通過對橋梁加固前后進行荷載試驗得到各個工況理論與實測數值的對比如表2、表3所示。

由表2、表3可知，在靜荷載作用下，加固前工況一～工況四中最大實測撓度為10.78 mm，撓度殘余度最大值為5.84%，撓度校驗系數范圍在0.97～1.45內，表明加固前該橋已不滿足使用要求。采用預應力鋼絲繩加固后工況一～工況四中最大實測撓度為5.42 mm，撓度殘余度最大值為5.76%，撓度校驗系數范圍在0.49～0.73內，加固后校驗系數變小，說明該橋的安全儲備增大，結構的彈性恢復能力增加，橋梁橋跨結構整體工作性能正常。

表2 JM1截面各工況橋梁加固前后撓度對比（M+max）

表3 JM2截面各工況橋梁加固前后撓度對比（M+max）

由表4可知，在靜荷載作用下，預應力鋼絲繩加固后JM1與JM2各個工況平均撓度降低幅度介于-49.94%～-47.56%，平均為-48.54%，各工況下最大撓度降低幅度介于-51.01%～-43.54%。

表4 各工況橋梁加固前后撓度對比（M+max）

4 結論

①預應力鋼絲繩加固后工況一～工況四平均撓度降低幅度介于-49.94%～-47.56%，平均為-48.54%，各工況下最大撓度降低幅度介于-51.01%～-43.54%；各測點殘余撓度均呈現一定幅度的降低，說明加固后抗彎承載能力明顯提高，達到橋梁的預期加固效果。

②綜合上述改善情況，說明在采用預應力鋼絲繩加固之后，橋梁的強度和剛度均得到較明顯改善，承載能力得到提高，采用預應力鋼絲繩加固橋梁能夠達到加固效果，采用荷載試驗對其加固效果評價是可行的。