某连续刚构桥体外预应力加固技术研究

◎ 张小刚　王　技　李王辉　交第一公路勘察设计研究院有限公司

某连续刚构桥体外预应力加固技术研究

◎ 张小刚王技李王辉交第一公路勘察设计研究院有限公司

预应力混凝土连续刚构桥常由于预应力损失等因素，导致下挠和梁体开裂，需采取主动加固方式才能彻底根治病害。体外预应力通常布置在受拉区混凝土截面外部，通过对体外预应力束进行张拉后产生的偏心弯矩来对梁体的应力状态进行改善，从而提高主梁梁体刚度。本文以实际工程为例，对某连续刚构桥存在病害及原因进行分析，对大桥主、引桥体外预应力加固技术进行探讨。

连续刚构桥 体外预应力 加固技术

1.工程概况

某桥梁于上世纪90年代建成通车，跨越黄土塬V型冲沟，跨径组合为（2×25）+（60+2×100+60）+（2×25）m，主桥为预应力混凝土连续刚构。该桥定期检查发现主桥箱梁腹板存在较多斜向裂缝，裂缝间距20～30cm；中跨跨中存在一定程度的下挠，主桥顶、底板存在纵向裂缝等病害。为了改善主梁受力，并抑制主桥中跨跨中下挠，确保运营安全，故对该桥进行加固处治，如图1所示。

2.桥梁主要病害及成因分析

2.1主桥主跨跨中下挠

跨中下挠是大跨径混凝土梁桥的常见病害，结合本桥实际情况分析病害产生原因如下：

（1）在荷载长期作用下产生混凝土徐变，对结构的内力分布和截面的应力分布会造成影响。

（2）如施工中预应力实际张拉力和预应力损失与设计相差较大，将导致梁体永存预应力减小。

（3）箱梁底板、腹板、顶板开裂等梁体病害及缺陷，导致梁体刚度削弱，加剧主梁下挠。

（4）随着交通量的增大，重型、超重型车辆的增多，造成动荷载过大。

（5）为缩短工期，施工时会采用在混凝土中添加早强剂等措施，有可能在龄期没达到设计要求就张拉预应力。过早加载会不仅使预应力的损失加大，而且使徐变挠度增大。

图1　桥型布置图

2.2主桥箱梁腹板斜向裂缝

腹板斜向裂缝与箱梁底板夹角30°～45°，夹角靠近支点侧大，靠近跨中侧变小，裂缝走向为跨中侧高支点侧低，裂缝形态与主拉应力裂缝特征相符；经核查图纸，主桥箱梁腹板尺寸相对较小，竖向预应力采用高强精轧螺纹钢筋，受精轧螺纹钢锚固体系工艺局限及施工质量影响，竖向预应力一般难以达到设计要求，同时顶板纵向预应力钢束未设置下弯，不能提供有效的预剪力，对主拉应力控制没有起到有效的作用；综合上述分析，判断腹板斜向裂缝为腹板尺寸相对较小，竖向预应力损失较大，在超载车辆作用下导致主拉应力超限引起的受力裂缝。

2.3主桥箱梁顶板内侧纵向裂缝

主桥箱梁顶板内侧纵向裂缝大量集中分布于中跨合拢段、边跨现浇段及附近块段，分析认为由于梁段混凝土龄期差影响，中跨合拢段、边跨现浇段附近顶板混凝土收缩受到先期浇筑的悬浇梁段混凝土约束而形成的混凝土早期收缩裂缝。

2.4引桥箱梁腹板、底板纵向裂缝

预制箱梁腹板纵向裂缝普遍出现在距离箱梁底面20cm左右位置，是腹板与底板混凝土分层浇筑面，容易产生收缩裂缝；此外裂缝走向与钢绞线走向基本一致，波纹管施工定位不准，导致波纹管位置混凝土保护层偏薄，或混凝土龄期不足，在钢绞线施工张拉过程中，局部应力过大而产生纵向裂缝，影响结构耐久性。

3.加固设计构思

为了提高大桥腹板抗剪能力，改善主梁结构受力状态，加固设计构思如下：

（1）通过增设纵向体外预应力钢束，使主跨跨中有一定的向上位移，抑制主梁下挠，同时抵消加固带来的自重增加不利影响，并适当改善主梁应力状态，提高承载能力。

（2）通过增大桥墩附近节段腹板截面，改善主梁腹板受力状态，提高该段抗剪承载力及主桥刚度。

（3）通过腹板粘贴钢板，提高其抗剪承载力，抑制裂缝开展。

4.加固设计要点

（1）主桥新增纵向体外预应力钢束布设。本桥共4跨，分2个边跨及2个中跨。因主桥中跨出现较大程度的下挠，且箱梁腹板出现大量斜向裂缝，裂缝宽度较宽，一定程度上削弱了主梁刚度。故针对主桥新增12束15-15的纵向体外预应力钢束，预留6束15-15的预应力孔道，视后期运营过程中桥梁结构状况可再行增补纵向预应力体外钢束。

（2）主桥3、4跨布置的钢束一端锚固在第3跨边跨现浇段新增混凝土齿板处，另一端锚固于4号墩零号块大桩号侧新增齿板处，新增钢束在第3跨由底板通过新增转向块上弯至3号墩墩顶上缘，新增钢束在第4跨由顶板通过新增转向块下弯至跨中底板；主桥4、5跨布置的钢束一端在3号墩0号块边跨侧横隔板处设置混凝土齿板，另一端锚固于5号墩零号块大桩号侧横隔板处，新增钢束在4、5跨由顶板通过新增转向块下弯至跨中底板；主桥5、6跨布置的钢束一端锚固在第6跨边跨现浇段新增混凝土齿板处，另一端锚固于4号墩零号块小桩号侧新增齿板处，新增钢束在第6跨由底板通过新增转向块上弯至5号墩墩顶上缘，新增钢束在第5跨由顶板通过新增转向块下弯至跨中底板。在3～5号墩横隔板间左右边腹板处增设钢筋混凝土加劲肋板。预应力锚下张拉控制应力为0.55fpk=1023MPa，采用张拉力与引伸量双控，以引伸量校核。

（3）本桥在跨中附近采用轻型钢制转向块，以减小其自重带来的不利影响。其它位置转向块及齿板采用C50自流平混凝土浇筑。体外预应力钢束采用环氧喷涂钢绞线体外束，锚具、锚垫板、锚下螺旋箍筋均采用其配套产品，锚下张拉控制应力为1023MPa。同时在自由段设置减振装置，避免索体产生较大的振动。在体外束中跨合拢段位置布置磁通量传感器，以便施工过程和后期运营过程中对钢束应力进行监控和测量。

（4）为了提高腹板抗剪承载能力，改善主梁腹板结构受力状态，对第3～6跨的1～7号节段腹板加厚15cm混凝土，并在第3～6跨的8～9号梁段粘贴斜向钢板，在合拢段附近粘贴竖向钢板。钢板采用Q355NHC钢，厚度8mm，宽度18cm，纵桥向每隔50cm净距粘贴一道。

5.加固前后结构计算对比分析

采用通用有限元软件对新增钢转向块及混凝土齿板进行优化设计计算，计算满足圣维南原理假定。计算结果如下：

（1）计算结果表明，钢转向块在体外预应力钢束径向力作用下，钢转向块的最大等效应力34.0MPa。本桥各转向块钢材等效应力水平较低，均远小于钢材的设计强度，且转向块结构变形很小，说明转向块强度和刚度均满足设计要求。

（2）新增齿板的最大主拉应力为3.72MPa，出现在箱梁新增齿板与顶板底面连接处，考虑普通钢筋作用，结构受力能够满足规范要求。

6.结论

综上所述，体外预应力施加有效降低了混凝土浇筑施工增大结构自重后在桥跨断面产生的拉应力，增大了箱梁断面压应力储备，抑制裂缝的产生及发展，提升结构承载力，保证桥梁结构性能，该桥梁工程加固后徐变系数调整，模拟湿度60%，纵向预应力损失20%，竖向预应力损失100%，开裂区域刚度折减15%，纵向预应力损失20%，取得了良好的加固效果。

［1］刘士林，许宏元，等.大跨径混凝土梁桥体外预应力加固技术预应力技术［J］，2011（01）：15-20.

［2］牛宏.公路混凝土桥梁体外预应力加固设计与实践［J］.预应力技术，2011（04）：18-27.

［3］谢峻，王国亮，郑晓华.大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题的研究现状［J］.公路交通，20071（01）：47-48.