某T构桥体外预应力及粘钢板综合法加固及效果

俞好爱，罗小秀，李德慧

(江西省交通科学研究院，江西南昌 330038)

近年来我国修建了大量的预应力混凝土T构桥梁、大跨连续桥梁，这些桥竣工交付运营后，部分出现了跨中持续下挠，结构腹板、顶板和底板混凝土开裂等病害，引起了桥梁管养、科研、设计人员的重视，从设计、计算、加固等角度提出了许多宝贵措施和意见(如体外预应力、粘贴纤维布、粘贴钢板等)。本文就体外预应力及粘钢综合加固法应用于某T构桥加固作简单介绍，并对实桥进行了试验研究和理论分析，就加固后的桥梁状况进行了评价。对体外预应力及粘钢综合法用于大跨预应力混凝土病害桥梁的适用性和加固方法的优缺点进行了简单分析。

1 工程概况

1.1 原设计简介

大桥跨径布置为(35+60+90+60+35)m(双幅)，全长280 m，是一座混凝土连续刚构组合桥，见图1。单幅桥面净宽为净10.5+2×0.75 m。桥梁设计荷载为汽车超-20，挂车-120，人群3.5 kN/m。上部结构采用单箱室箱梁，箱梁采用C50混凝土，墩顶箱梁高度为5.0 m，跨中高度2.0 m，其间的梁高在纵桥向按2.0次抛物线变化。箱梁原设计设置纵、横、竖三向预应力。下部结构主墩为两个薄壁双柱式墩，其截面尺寸为1.2 m×7.0 m，纵向中心距4.8 m。

1.2 加固前存在的病害

图1 桥梁立面示意(单位:cm)

该桥建成运营9年后检查发现:①桥梁中跨跨中出现了下挠10 cm，且在发展中。②桥梁腹板边跨、次边跨及中跨在其四分点12.3 m范围内(5～7号块)，均出现了大量斜裂缝，裂缝宽度多介于0.1～0.2 mm之间，约45°方向，最大裂缝宽度1.5 mm，表现为明显的主拉应力致开裂特征。③底板距离中跨合龙段两端各2 m范围内，下缘出现了数道横向通缝。其中合龙段内有三道宽度＜0.1 mm横向裂缝，合龙段两端约2 m范围内各有三道宽度约0.2～1.0 mm的裂缝已延伸到腹板承托部位，这些裂缝有明显的受弯开裂特征。次边跨及中跨的主梁底板下缘，从四分点到跨中范围内，出现了对称于跨中断面大致与梁底板中心线呈45°方向的斜裂缝，且斜裂缝在横向对称于底板中心线，裂缝宽度在0.1～0.2 mm之间，最大裂缝宽度为0.5 mm，系预应力锚固、平弯等引起。④箱室内顶板两条裂缝(距离腹板约1.2 m)自中跨合龙段延伸到墩顶，并穿过墩顶进入次边跨，到达次边跨的合龙段端部。

1.3 主要加固措施

在病害检查、荷载试验、理论分析基础上，对桥梁采取加固措施如下:①箱内设置体外预应力筋提高结构的正截面抗弯承载力，同时抵抗由于腹板、底板粘贴钢板、中跨跨中范围找平所增加的荷载。②腹板采用粘贴钢板法或进行加固补强，抵抗主拉应力，控制裂缝发展，提高结构的耐久性;施加体外预应力，通过设置跨内转向肋，使体外索提供预剪力，从而增强腹板的抗主拉应力能力。③粘钢板提高合龙段及两侧连接刚度，恢复其刚接状态。④对开裂宽度＞0.15 mm的腹板、顶板、底板裂缝注浆，宽度＜0.15 mm裂缝表面封闭。⑤桥面铺装采用钢纤维混凝土，并设置双层钢筋网。桥梁体外预应力加固纵向布置如图2所示。

图2 主梁纵向体外预应力筋布置示意(单位:cm)

2 理论分析

桥梁理论分析主要采用桥梁博士有限元程序进行。考虑使用阶段体外预应力束转向点滑移可能性，分别采用体外索转向点刚接模型和无摩擦滑移模型，计算加固后结构试验荷载下的受力性能;粘贴钢板作为附加截面与原截面做整体截面考虑。动力特性分析采用ansys程序。

3 加固前后受力性能试验对比评价

3.1 试验内容、参数

本桥加固前后，为掌握桥梁承载能力状况，进行了荷载试验。主要试验内容有:主跨正弯受力控制截面受力最不利加载(试验1)，次边跨正弯受力控制截面受力最不利加载(试验2)，主跨P4墩顶主梁负弯控制截面受力最不利加载(试验3)，P5墩顶主梁负弯控制截面受力最不利加载(试验4)以及桥梁动力试验(试验5)。

试验测试参数有:各静载试验测试结构变形最大部位的挠度、控制截面的应力、结构原开裂部位的裂缝变化、体外索张力变化(加固后试验);动载试验测试结构竖向振动频率、阻尼比等。

3.2 试验结果及分析

桥梁加固前后对桥梁进行荷载试验的结果见表1和表2。测试过程未见体外预应力筋伸长和转向块滑移。理论分析仅给出体外索与转向块固结模型结果。

表1及表2中，εs为实测测点应变，εl为测点处理论应变，fs为控制截面实测挠度，fl为控制截面理论挠度，η为效验系数，W为荷载下裂缝宽度变化。

由表中数据可以看出:加固前结构试验荷载下裂缝明显开展，挠度效验系数1.40以上，实测结构基频较理论值和竣工值明显偏小，表明病害使加固前结构的整体受力性能出现了严重下降。加固后荷载试验跨中挠度校验系数为0.52～0.90，结构竖向抗弯刚度显著提高，应力校验系数较加固前结构也恢复正常。加固后结构实测竖向一阶频率1.650 Hz，大于理论分析频率值1.608 Hz，说明加固后的结构整体抗弯工作性能得到了较好的恢复。实测加固后结构体外索未发现有明显的索力变化，表明运营阶段本桥体外索对结构承担运营活载贡献甚微。

表1 加固前荷载试验控制断面加载结果

表2 加固后荷载试验控制断面加载结果

4 加固方法适用性及优缺点

通过应用体外预应力及粘钢板综合加固法处理本桥的病害问题，总结本加固方法适用性及优缺点如下:

1)体外预应力方法加固适用于桥梁内力状态不合理，适合通过预应力改变结构内力的病害桥梁，其优点是能改善结构恒载内力状态，缺点是运营阶段体外束承担活载的作用不明显;

2)粘钢法加固适用于结构本身因病害、设计、施工等原因造成的结构截面承载力不足类桥梁的加固，优点是改善桥梁运营阶段受力，其缺点是不能有效改善结构恒载内力状态，增加结构自重。

5 结论及建议

1)通过使用体外预应力、粘钢板综合法加固，本桥病害得到较好的治理，结构内力状态、动力及静力工作性能得到改善，承载能力提高明显，试验结果表明达到了加固的预期目的。

2)采用体外预应力加固桥梁，因体外索运营阶段增量微小，该阶段设计可不考虑体外索对承担活载的贡献。

3)三向预应力混凝土大跨连续梁或T构桥腹板因主拉应力原因开裂，多因竖向预应力损失过大引起，通过粘钢法和纵向布置体外预应力加固的措施有待改进，建议通过施加纵向体外预应力和竖向体外预应力及综合措施，改善此类病害桥梁的腹板主应力状态，以避免设置过多纵向体外预应力钢束。

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