預應力混凝土連續橋梁加固設計及效果分析

作者簡介：龐 毅（1984—），工程師，研究方向：土木工程。

摘要：文章以某連續梁橋加固工程為研究實例，通過對橋梁病害進行詳細分析，提出了一種可行的橋梁加固方案，利用有限元軟件對橋梁加固施工關鍵步驟進行數值模擬，并針對加固前后的橋梁主梁各截面應力、撓度變化規律進行對比分析。結果表明：對橋梁進行加固維修后，靠近1#、2#墩根部的主梁上緣截面壓應力增長幅度比較顯著，主梁邊跨、次邊跨及跨中的撓度顯著減小，說明該方案可以有效改善主梁上、下緣的受力情況，有助于提升主梁的壓應力儲備，同時還可顯著改善主梁各跨跨中下撓情況，提升主梁的整體剛度。

關鍵詞：連續梁橋；加固設計；應力；撓度

中圖分類號：U448.21⁺5

0 引言

近年來，隨著我國橋梁建設事業的不斷進步，無論在數量、跨徑及造型設計等方面均取得了顯著提升，大幅推動了我國橋梁事業的發展^［1-2］。然而，部分橋梁由于施工階段對質量控制不足以及后期構件老化、荷載加重等問題的存在，導致橋梁運營階段出現許多質量問題。若不能及時檢測并采取加固修復措施，極易造成橋梁安全事故^［3-4］。因此，深入研究各類型橋梁的維護加固技術并確定相關規范標準，對于橋梁的安全運營具有重要意義。

目前，國內外學者對橋梁加固維修技術展開了大量研究。劉能文等^［5］在減少投資的前提下，提出了加固施工期及運行期對現狀橋下、橋上交通影響最小的加固方案，討論了復雜交通狀況下橋梁加固方案的類型、特點、創新性和效果。胡祥森等^［6］對適合本項目的常用加固方案進行了論述及比較，并根據比較情況擬定了加固設計時的推薦方案、方案選擇的原則和適用條件，最后對推薦方案的設計和計算進行了詳細介紹。陳興權等^［7］針對張拉底板預應力階段出現的底板混凝土大面積崩裂等現象，提出采用鑿除部分底板混凝土并重新澆筑、增加頂板厚度以及體外預應力加固等方法，以提高橋梁結構承載力。崔曉磊^［8］通過外觀檢測、載力檢測、地質雷達檢測和橋面系檢測等方法，結合具體情況提出了相應的加固措施，發現加固效果理想，有利于強化高速公路橋梁的承載能力，減少病害。綜合上述研究成果發現橋梁加固技術在橋梁建設的應用不僅降低了橋梁維護成本，極大提高了橋梁運營的安全性，而且有助于推動橋梁建設事業的長期發展。基于此，本文以某預應力混凝土連續橋梁的病害治理為研究對象，提出了一種可行的加固維修方案，并通過對比分析加固前后橋梁的應力、下撓發展情況，最終確定了該方案優良的加固效果。

1 工程概況

1.1 橋梁設計

某預應力混凝土連續剛構橋全長460 m，其跨徑布置為65 m+3×110 m+65 m，橋面總寬24.5 m，左、右幅橋面寬度均為12 m，橋面布置為：0.5 m防撞護欄+11 m行車道+0.5 m防撞墻，橋面縱向坡度為1.5%，單向橫坡為2%。橋梁的上部結構主梁采用預應力混凝土單箱單室連續箱梁結構，墩頂處梁高為6.8 m，跨中處梁高為2.5 m，梁高按1.8次拋物線變化，箱梁頂板寬12 m，底板寬5.6 m，翼緣板寬2.8 m，頂板厚度為30～50 cm，腹板厚度為40～80 cm，底板墩頂處厚1.2 m，跨中處厚30 cm。下部結構主墩采用雙薄壁墩，薄壁橫向寬5.6 m，縱向寬度為1.2 m，雙肢間距為3.6 m，墩高分別為28 m、38 m、32 m和17 m。橋臺為肋板式橋臺。樁基礎采用鉆孔灌注樁基礎，直徑為0.5 m，布置間距為1.5 m。橋梁總體布置如圖1所示。

1.2 主梁病害

經檢查發現該連續剛構橋主梁頂板、腹板和底板均存在大量裂縫，且主梁跨中出現不同程度下撓，具體表現如下：

（1）頂板裂縫：箱梁頂板兩側存在8條縱向裂縫，在靜止狀態下裂縫最小寬度為0.12 mm，最大寬度為0.2 mm，裂縫總長度約為900 cm，在車輛通行時最大裂縫會增至0.3 mm。初步估計裂縫產生原因是主拉應力過大而導致混凝土開裂。

（2）腹板裂縫：箱梁腹板外側沿20°～45°方向存在大量斜向裂縫，左側腹板約28條，右側腹板約32條，位置主要分布在主梁跨中合龍和邊跨支點附近。腹板外側裂縫總長度約7 255 cm。腹板內側裂縫分布位置較為均勻，左側腹板約67條，右側腹板約62條，腹板內側裂縫總長度約27 541 cm。

（3）底板裂縫：箱梁底板多處出現縱向裂縫，其中第二跨合龍段附近存在8條裂縫，第三跨底板存在5條裂縫，第四跨底板存在9條裂縫，最大裂縫寬度達到4 mm。第二跨鑿開發現混凝土存在剝離脫空現象，剝離脫空最大達到5 cm，且波紋管有破損。

（4）跨中下撓：主梁各跨跨中均存在不同程度下撓，其中第四跨跨中下撓程度最小，為4 cm，第二跨跨中下撓程度最大，達到7.8 cm。

1.3 加固方案設計

（1）體外預應力加固：主梁邊、中跨加固分別采用6束和8束規格為15～15.24 mm的預應力鋼束，預應力束采用OVM-S4環氧無粘結鋼絞線，并配合使用可調可換式體外應力錨具。張拉控制應力為930 MPa，為標準強度的50%，連接時各跨均設置8道轉向板，連接方式采用植筋方式。

（2）頂板加固：頂板裂縫修復采用粘貼豎向鋼板條方式。先對頂板內側裂縫進行灌縫處理，灌縫完成后再依次粘貼豎向鋼板條。鋼板條采用Q235C鋼材，厚度為6 mm，粘貼間距為20 cm。

（3）腹板加固：腹板裂縫修復采用粘貼鋼板條方式，對于斜向裂縫嚴重區域應先進行灌縫處理。鋼板條采用Q235C鋼材，腹板外側粘貼間距為20 cm，內側粘貼間距為15 cm。鋼板條粘貼完成后需采用富鋅底漆和環氧瀝青漆進行防腐處理，富鋅底漆涂刷2道，厚度達到70 μm，環氧瀝青漆涂刷2道，厚度達到200 μm。

（4）底板加固：對主跨裂縫采用灌縫處理。粘貼鋼板采用Q253鋼材，間距為30 cm，在底板通長布置。對于底板空洞，先采用細石混凝土澆筑，再采用6 mm厚鋼板進行封堵，底板與鋼板的連接采用錨固螺栓。同時，在各跨合龍段20 m范圍內粘貼鋼板條加固，以增強底板抗彎能力。

2 建立模型

運用有限元軟件MIDAS Civil建立預應力混凝土連續剛構橋的全橋數值模型。在該模型中主梁和橋墩均采用梁單元進行模擬。其中，主梁被劃分為148個單元和150個節點，橋墩被劃分為137個單元和164個節點。全橋共劃分為292個單元和318個節點。橋梁的有限元模型如圖2所示。

根據該橋加固施工的特點，計算分析主要針對主梁粘貼鋼板加固和體外預應力加固施工階段，通過分析主梁應力和撓度的改善情況，來綜合評價最終的加固效果。在計算過程中，橋墩與主梁采用剛性連接，兩側橋臺均設置豎向支撐。主梁、橋墩、錨固塊和轉向板澆筑材料均采用C50混凝土，箱梁內采用縱、橫、豎三向預應力束。普通鋼筋采用HRB335級鋼筋，體外預應力筋采用270級低松弛高強度鋼絞線。鋼絞線的張拉控制應力為930 MPa，為標準強度的50%。計算荷載和參數按照相關設計圖紙進行取值。結構自重取值26 kN/m³，二期恒載取值68 kN/m³，活載采用公路Ⅰ級車道荷載，收縮徐變按規范取值計算，不均勻沉降分別考慮0.02 m的沉降量，取最不利組合。主要材料計算參數如表1所示。

3 效果分析

3.1 主梁應力

運用軟件分別計算主梁各關鍵截面的應力值，并針對加固前后主梁上緣和下緣的壓應力改善情況進行對比分析，主梁上、下緣壓應力變化曲線分別如圖3和圖4所示。

根據圖3可知，對橋梁進行加固維修后，主梁上緣各截面的壓應力均得到不同程度的提升，其中主梁邊跨跨中壓應力增大了0.52 MPa，1#墩根部截面壓應力增大了3.41 MPa，主梁次邊跨跨中壓應力增大了0.7 MPa，2#墩根部截面壓應力增大了3.51 MPa，主梁中跨跨中壓應力增大了0.53 MPa，其中主梁邊跨、次邊跨及跨中的壓應力增長幅度較小，但靠近1#、2#墩根部的主梁截面壓應力增長幅度比較顯著，由此說明該加固方案對主梁上緣應力的改善效果明顯。

根據下頁圖4可知，對橋梁進行加固維修后，主梁下緣各截面的壓應力均得到不同程度的提升，其中主梁邊跨跨中壓應力增大了2.77 MPa，1#墩根部截面壓應力增大了0.8 MPa，主梁次邊跨跨中壓應力增大了2.76 MPa，2#墩根部截面壓應力增大了0.9 MPa，主梁中跨跨中壓應力增大了3.87 MPa，其中靠近1#、2#墩根部的主梁截面的壓應力有所減小，但減小幅度不大，而主梁邊跨、次邊跨及跨中的壓應力增長幅度比較顯著。綜合來看，采用該加固方案可以有效改善主梁上、下緣的受力情況，有助于提升主梁的壓應力儲備，具有良好的改善效果。

3.2 主梁撓度

運用軟件分別計算主梁各關鍵截面的撓度值，并針對加固前后主梁撓度改善情況進行對比分析。計算結果如圖5所示。

圖5 主梁撓度變化曲線圖

根據圖5可知，對橋梁進行加固維修后，主梁各截面的下撓幅度均出現不同程度的減小，其中主梁邊跨的最大撓度減小了9.6 mm，1#墩根部的最大撓度增大了0.05 mm，主梁次邊跨的最大撓度減小了17.1 mm，2#墩根部的最大撓度增大了0.2 mm，主梁中跨的最大撓度減小了16.9 mm，其中靠近1#、2#墩根部的主梁截面的最大撓度有所增大，但變化幅度不大，而主梁邊跨、次邊跨及跨中的減小幅度比較顯著。綜合來看，采用該加固方案可以有效降低主梁各跨跨中的下撓情況，有助于提升主梁的整體剛度，達到了控制主梁變形的良好效果。

4 結語

（1）對橋梁進行加固維修后，靠近1#、2#墩根部的主梁上緣截面壓應力增長幅度比較顯著，而主梁邊跨、次邊跨及跨中的下緣壓應力增長幅度比較顯著，說明采用該加固方案可以有效改善主梁上、下緣的受力情況，有助于提升主梁的壓應力儲備。

（2）對橋梁進行加固維修后，主梁各截面的下撓幅度均出現不同程度的減小，其中靠近1#、2#墩根部的主梁截面的最大撓度有所增大，但變化幅度不大，而主梁邊跨、次邊跨及跨中的減小幅度比較顯著，說明該加固方案可以有效降低主梁各跨跨中的下撓情況，提升主梁的整體剛度。

參考文獻

［1］孫俊杰.公路橋梁養護與維修加固施工關鍵技術分析［J］.交通世界，2022（24）：45-47.

［2］韓基剛.鋼結構橋梁檢測與加固技術及其應用［J］.黑龍江交通科技，2021，44（2）：107-108.

［3］李建祥，劉紅燕.高速公路改擴建工程橋梁拼寬及其加固技術［J］.低碳世界，2021，11（4）：266-267.

［4］鄧秦峰.CFRP預應力板在鋼筋混凝土橋梁加固中的應用［J］.交通世界，2021（8）：100-101，105.

［5］劉能文，王 益，秦永剛.城市復雜交通狀況下典型橋梁加固方案分析與選擇［J］.市政技術，2022，40（9）：103-109.

［6］胡祥森，鄭可卿，余茂峰.某高速公路獨柱墩橋梁抗傾覆加固設計研究［J］.工程建設與設計，2022（15）：91-95.

［7］陳興權，楊 峰，李培濤.某重載鐵路連續剛構橋梁體外預應力加固設計［J］.廣州建筑，2021，49（1）：24-28.

［8］崔曉磊.高速公路橋梁承載力不足的檢測方法及加固措施［J］.交通世界，2021（10）：92-93.

收稿日期：2023-04-20