某連續剛構橋梁體外預應力加固性能分析

應 立，伍曉孟*

（中鐵長江交通設計集團有限公司，重慶）

引言

近年來，隨著我國經濟建設的快速發展，交通運輸需求持續增長，公路建設不斷開展，連續剛構施工技術的進一步成熟，連續剛構橋因施工簡單方便、造價低廉、后期養護量小而被被廣泛采用。但隨著大量的連續剛構橋建成使用之后，連續剛構的病害隨之顯現，20 世紀建成的連續剛構橋普遍出現主跨跨中下撓、箱梁梁體開裂，直到預應力混凝土相關規范、規程的不斷完善這種狀況才得以改善，但也未能完全避免。

連續剛構作為多次超靜定結構，一旦受損，修復的難度極大，因此，該類橋梁減少構件病害和對構件病害的加固處理就顯得尤為重要。箱梁梁體開裂和主跨跨中下撓是連續剛構最常見的病害形式，墩頂橫隔板、梁端橫梁經常因施工原因產生裂縫，箱梁頂板下緣、跨中底板下緣在車輛荷載下經常會出現裂縫，箱梁腹板及跨中橫隔板等位置在溫度影響下也經常會出現裂縫。當箱梁的裂縫發展到一定程度便會嚴重危害到結構的承載能力，降低橋梁整體結構的耐久性，對橋上車輛安全和行人生命造成威脅；連續剛構為防止跨中下撓均設置有預拱度值，但許多橋梁在營運數年后，預設的預拱度值便被跨中下撓量抵消，并且隨著時間的推移，跨中的下撓量持續增加。通過對大量的連續剛構橋病害情況的持續觀察、對比分析，發現跨中下撓會使箱梁梁體下凸，會致使新生裂縫的產生和引起裂縫發展，在此過程中箱梁梁體的剛度被削弱，在營運荷載的情況下進一步加劇了梁體的下撓，二者之間相互影響，形成一種惡性循環。國內學者[1-4]對連續剛構橋病害成因及加固技術進行了研究。其中部分學者[5-7]對體外預應力加固進行了單獨的分析與試驗研究。

筆者對某連續剛構橋發生裂縫與跨中下撓病害后采用體外預應力加固進行分析，驗證加固效果，為類似橋梁加固工程提供參考依據。

1 橋梁概況

研究對象橋梁選取重慶某主橋主跨137 m 的連續剛構橋。橋梁為雙向雙車道，兩側均設置1.5 m 寬人行道，橋梁總寬12.0 m。橋梁跨徑布置為5×30 m+(79+137+79)m 連續剛構+3×30 mT 梁，橋墩根據墩高情況采用薄壁墩和柱式墩，鉆孔樁基礎；兩岸橋臺采用U 型橋臺，明挖基礎。橋梁全長547 m。大橋橋跨布置見圖1。

圖1 大橋橋跨布置

2 主橋箱梁主要病害及成因

2.1 主橋箱梁現狀及主要病害

結合結構外觀觀察和橋面標高檢測測量結果，主橋箱梁構件病害主要表現為局部破損露筋、個別位置出現箱內積水，箱梁裂縫（縱向裂縫、斜向裂縫、網狀裂縫）、跨中下撓。

2.2 主要病害成因分析

結合對象橋梁施工過程資料、運營資料和箱梁現狀，對主跨跨中下撓病害的成因分析如下：

（1） 預應力損失導致有效預應力減小對箱梁結構的內力分布造成較大的影響：①混凝土發生收縮徐變；②錨具變形、鋼絞線松弛；③預應力施工定位偏差、鋼絞線緊貼波紋管、混凝土澆筑振搗造成預應力偏位等。

（2） 箱梁梁體裂縫消減了梁體剛度，進而促進了梁體下撓。

結合本橋現狀外觀實際情況局部破損露筋的成因分析如下：

（1） 模板未充分濕潤情況下澆筑混凝土，導致水化不充分或失水，混凝土強度降低，拆模時混凝土表層受損導致露筋。

（2） 混凝土強度不足情況下拆模或抽芯，致使混凝土表層受損露筋。

（3） 混凝土澆筑時振搗不密實、松散、夾雜物、空洞，致使局部露筋。

結合本橋箱內泄水孔檢查情況，對箱內積水的成因分析如下：泄水孔沒有完全打開或打開了，里面還有積水，而頂板齒板口施工未及時跟上，下雨或下雪，直接留在箱梁里沒有排除。

結合本橋實際運營情況和現狀外觀實際情況混凝土裂縫的成因分析如下：

（1） 施工時混凝土養護不夠，形成混凝土收縮裂縫。

（2） 在溫度、混凝土收縮徐變等影響下，產生的裂縫。

（3） 在營運過程中，跨中的下撓量持續增加，結構變形引起裂紋、裂縫進一步發展，裂縫又使箱梁結構剛度降低，促進了箱梁結構的下撓，二者之間相互影響，形成一種惡性循環。

3 加固處治方案

（1） 對箱梁結構跨中下撓采取結合計算增設體外預應力進行加固處治。結合橋梁下撓情況通過建模分析，在主橋邊跨增設邊跨底板體外束、在中跨增設腹板體外束。體外預應力束布置見圖2。

圖2 體外預應力束布置

（2） 對局部破損、不密實、松散、夾雜物、空洞露筋部位進行鑿毛除銹，然后采用環氧砂漿徹底修補。

（3） 對箱內積水采取清除積水、疏通泄水孔方式進行處理。

（4） 對箱梁裂縫進行修補，依據裂縫寬度的不同分別采用壓漿法和封閉法。

4 加固后整體驗算受力分析

體外預應力與體內預應力由于受環境約束差異較大，在外載作用下的振動幅度、頻率、傳力方式均存在較大差異，箱梁混凝土與縱向受力鋼筋（含預應力）的應力和應變變化規律將發生改變，在加固前后是兩種工作狀態，箱梁截面與加固主梁截面變形不能完全協調一致。在荷載作用下梁體產生撓度變形時，由于截面變形的不一致，體外預應力束的偏心距也隨之發生變化，這種變化多數是對加固梁不利的。因此，箱梁結構采用體外預應力加固后要從抗彎能力和抗剪能力等方面對體內有粘結預應力和體外無粘結預應力之間的協同工作性能分析進行驗算。本橋采用橋梁專用分析軟件MIDAS 對主橋承載能力抗彎、抗剪能力進行結構驗算。橋梁結構驗算模型見圖3。

圖3 結構驗算模型

4.1 加固梁承載能力抗彎能力驗算

箱梁加固前后受力狀態發生了較大變化，加固梁按規范中的受彎構件進行計算，計算時作如下假定：

（1） 加固梁在荷載作用下，混凝土受壓區應變超前，在極限狀態下加固梁破壞形式不變。

（2） 受壓區混凝土的應力為線性分布。

（3） 加固梁內的所有鋼筋均達到抗拉強度設計值。

（4） 體外預應力束在破壞狀態時應力達到限值。

4.2 加固梁承載能力抗剪能力驗算

箱梁加固前后受力狀態變化較大，但增加體外預應力對箱梁截面抗剪有利的，特別是腹板體外預應力對構件斜截面抗剪效果明顯，加固梁斜截面承載力可通過極限平衡關系分析得到。

式中：V'- 混凝土、箍筋、普通鋼筋、彎起鋼筋提供的剪力抗力值；

σpu- 體外束破壞時的應力值；

Apb- 體外束截面面積；

θe- 體外束在驗算截面處于水平面的夾角。

5 體外預應力加固效果

（1） 測點布置：連續剛構屬于多次超靜定結構，增加體外預應力對梁體結構內力影響較大，為確保施工安全，體外預應力施工過程中對線形和應力進行全程跟蹤監測。

（2） 加固前后橋面線形變化：為了抬高跨中標高抵消跨中下撓以抑制裂縫的產生和跨中撓度的加劇。通過對澆筑混凝土、首次張拉和二次張拉施工階段的位移線形監測確定加固線形方面的效果，統計結果見圖4。體外預應力加固后，邊跨出現下撓，最大下撓值為9.7 mm，中跨出現上抬，最大上抬值為13.8 mm。由圖示可看出結構變形大致對稱，撓度相對加固前變小，加固起到了降低梁體豎向變形的效果，對抑制因撓度導致梁體裂縫的作用，說明采取體外預應力加固的處治方案一定程度上提升了橋梁上部箱梁結構的剛度。

圖4 橋梁結構加固前后的豎向變形

（3） 混凝土正應力的變化：以加固前應力為監測起點，對加固過程每個階段的應力變化和累積進行研究分析，統計結果見表1。

表1 混凝土正應力加固過程變化統計分析（MPa）

由表1 可知，施工過程對腹板上、下緣應力的影響明顯。澆筑混凝土時腹板上緣和邊跨3/4 處腹板下緣產生應力均為壓應力，其他部位的腹板下緣產生應力均為拉應力；首次張拉體外預應力時除墩頂處上緣、中跨1/4 處產生拉應力外，其他部位的產生應力均為壓應力；二次張拉體外預應力時除邊跨1/2 處下緣、邊跨3/4 處下緣、墩頂處下緣產生拉應力外，其他部位的產生應力均為壓應力；最終所有部位產生應力累積值均為壓應力，這對連續剛構箱梁結構抑制裂縫的產生是有利的。

6 結論

本文首先介紹了連續剛構橋梁的常態病害，依托于某連續剛構的加固方案，通過具體數據驗證在抑制撓度和裂縫產生兩個主要方向的效果，結果證明采取體外預應力方案加固后連續剛構箱梁結構撓度值變小，各部均增加了壓應力有利于抑制裂縫產生，加固具有較好的效果，可為連續剛構橋梁加固提供一定的借鑒作用。