预应力空心板加宽桥体外局部横向预应力加固探析

刘振廷，孙 潇

（驻马店市公路规划勘察设计院，河南 驻马店 463000）

新旧桥间横向联系薄弱是造成加宽桥梁新旧桥交接处旧桥边板单板受力的原因之一。在高速公路改扩建中，体外横向预应力被用来提高空心板桥的横向联系[1]，陈淮等采用有限元法对此进行了计算分析[2,3]。理论分析和工程实践均证明该方法能够有效防治空心板桥单板受力现象。加宽桥梁一般宽度较大，而该方法对窄桥较为有效[3]，因而本文结合实际工程，在新旧桥连接处施加局部体外横向预应力，并对其进行有限元分析，研究该方法的可行性，为同类桥梁加固提供参考。

1 工程概况

本文选取京珠高速公路安阳新乡段加宽工程一期工程中某桥进行分析。该桥交叉角度为90°，1×16m，计算跨度15.5m，原桥宽度2×12.0m，配置有普通钢筋φ16，9根/板，预应力钢筋采用型号为的钢绞线，每根钢绞线张拉力为160.88kN，18根/板。加宽宽度为2×8m，预应力钢筋均采用270级φs15.2mm高强度低松弛钢绞线，标准强度为1860MPa，每根张拉力为195.3kN，22根/板，加宽桥面宽度2×8m。整桥空心板横断面见图1，混凝土铺装层厚度为80mm，下部桥台桩柱式台，桥墩是柱式墩。将桥梁上部的钢筋混凝土弹性模量采用钢筋与混凝土的折算弹性模量考虑普通钢筋的影响。采用实体建模计算。为便于计算，选取一跨上部结构进行计算，预应力空心板施加空间简支约束，模型如图2所示[4]。

图1 整桥空心板横断面图

图2 整桥上部计算模型

1.1 检验荷载

选用对S7最不利布置的5辆车加载作为加固计算荷载。

1.2 加固措施

加固措施具体包括如下几个方面：

a）横向预应力索的位置 顺桥向距端部1m、4.9m、9.8m间距对称布置5根预应力索；

b）加横向预应力 预应力张拉大小，对预应力空心板桥加固效果影响不大，实际张拉应力应不小于考虑预应力损失后的钢绞线标准强度的40%[2]，采用的1860级1×7-φj15单根预应力钢绞线，每根钢绞线张拉力取为169.2kN即可，张拉时钢铰线伸长量误差控制在±5%以内[5]；

c）埋件设置 在桥梁纵向跨中位置S5、S9，其余预应力锁位置的S6和S8的侧面，用专用粘结剂粘贴钢衬板，如果空心板缝间距不够，可以适当磨除部分空心板保护层内的混凝土，同时钢绞线上部对应的空心板板缝采用灌缝材料灌注密实；

d）防腐处理 预应力束外加套管，套管与衬板连接处用热缩套封死，锚具与端头钢束用填满防腐油脂的保护罩防护；

e）铺装处理 分别以新旧交接部位为中心，向新旧桥方向各凿除80cm长铺装，处理锈蚀钢筋并铺设一层与新桥铺装一致的钢筋网搭接新旧桥铺装，最后并浇注与新板铺装一致的钢纤维混凝土进行维修，为增强局部加固处整体性。

2 加固机理

采用在装配式空心板桥的板底增设横向体外预应力筋、改造桥面混凝土铺装层，对装配式预应力混凝土空心板桥进行加固，使空心板的横向下缘混凝土处于受压状态，从而平衡横向弯矩；变铰接板结构形式为刚接板结构形式，使空心板间可以同时传递竖向剪力和弯矩，以增强装配式空心板桥的横向联结能力，改善活载的横向分布状况，有利于各空心板共同分担车辆荷载，可提高装配式预应力混凝土空心板桥的整体承载能力[1,3]。

3 有限元分析建模

该桥有限元模型及其中各参数的取值参照文献[4]进行，为便于计算，同样选取一跨，仅模拟计算上部结构。体外预应力筋屈服强度fy=1860MPa；泊松比ν=0.3。预埋钢板的弹性模量E可取实际值的20倍，相当于其弹性模量无穷大，不考虑其变形[6,7]。

4 加固效果分析

4.1 横向分布曲线及横向分布系数

荷载横向分布影响线的平缓变化趋势体现了板间的横向连接情况，能反映空心桥的横向加固效果，故采用荷载横向分布影响线来评价粘钢加固装配式空心板桥的加固效果。采用桥梁实体模型计算各工况整桥各板横向分布系数[2]，其中S7板各工况下横向分布系数值如图3所示，显然S7板加固后消除了单板受力的不利影响，使得整桥荷载横向传递趋于平缓。图4说明加固后各板横向分布系数较修复前平缓，荷载横向传递较为均匀。

图3 各工况下7号板横向分布影响线图

图4 5辆车作用下各板荷载横向分布系数

4.2 最不利加载下各板位移

计算各工况下，对S7最不利的5辆车布置时各板的位移分布情况，结果如图5所示。可见，单板受力后，桥梁横向传力体系被破坏，旧桥各板位移均比正常情况下有所增加，粘钢加固修复后，各板间横向传力机制恢复，各板位移与未损坏时基本相同。

图5 单板受力时、正常情况下和加固后各板跨中位移

4.3 新旧连接铺装应力情况

加固后，铺装在对S7的5辆车最不利布置荷载作用下，新旧交接处最大横向拉应力分布在端部和四分之一处两道体外预应力钢筋之间的铺装底部，其值是3.46MPa。纵向和竖向应力基本为压应力，拉应力较小可以忽略。可见，体外局部预应力较好地平衡了横向弯矩，新旧交接处铺装横向应力降低较多，采用钢纤维混凝土可以防止铺装开裂，有效保护桥梁正常运营。

5 结语

施加局部横向预应力加固装配式预应力空心板扩宽桥新旧交接部位，能有效改善荷载横向分布，增强空心板横向连接，加固效果显著。体外横向预应力可以降低桥梁新旧交接处铺装混凝土的拉应力。

[1]梁全富，邵景干.体外横向预应力加固简支空心板梁桥技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]陈淮，张云娜.施加横向预应力加固装配式空心板桥研究[J].公路交通科技，2008，25（10）：58-62.

[3]陈淮，张云娜，葛素娟.横向体外预应力加固装配式空心板桥的探讨[J].铁道科学与工程学报，2008，（6）：22-25.

[4]陈记豪，赵顺波，姚继涛.既有预应力空心板桥加宽设计的荷载横向分布计算方法[J].工程力学，2012，29（9）：265-271.

[5]李友好，赵豫生.某病害桥横向体外预应力加固实践[J].重庆交通学院学报，2005，（2）：18-21.

[6]余海堂，何震.ANSYS在体外预应力混凝土结构非线性分析中的应用[J].建筑技术开发，2007，（6）：3-5.

[7]王宗林，于振刚，赵永刚.ANSYS在体外预应力混凝土简支梁非线性分析中的应用[J].中外公路，2008，28（4）：111-113.