非对称大跨径连续刚构桥体外预应力加固设计及施工监测研究

李志坚

摘 要：大跨径预应力混凝土连续刚构桥在长期运营过程中出现跨中下挠及箱梁开裂等病害，严重影响在役桥梁的正常使用；体外预应力加固对桥梁线形和应力状态起到有效的改善作用，从而提高桥梁的服役能力。本文以某非对称大跨连续刚构桥加固工程为研究背景，对桥梁的主要病害、原因分析、加固设计及施工监测做了系统讨论；建立空间有限元加固模型进行了检算分析；通过远程健康监测系统和人工观测对桥梁加固施工进行了全过程监测，可为同类桥梁加固工程提供参考。

关键词：非对称连续刚构桥 体外预应力 空间有限元 加固设计 检算 远程监测 人工观测

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0081-02

在长期自然环境（诸如腐蚀、温度与湿度变化、自然灾害等）和使用环境（诸如结构的疲劳、材料的老化、超载等）影响下，以及施工质量不过关和设计思路不成熟等各种因素，部分大跨径连续刚构桥在服役若干年后即出现了跨中下挠和梁体开裂等不同程度的病害，危害到桥梁的安全运营。体外预应力加固是对布置在被加固构件的后加补预应力钢筋施加预应力，通过预加力产生的反弯矩作用，改善旧桥的受力状态，从而提高旧桥的抗裂能力和承载力。

1 工程背景

某连续刚构桥全长415m，跨径组成为130+200+85m，由一个240mT和一个160mT组成的不对称结构，箱梁顶板宽22.5m，底板宽12.2m，为三向预应力结构，该桥已建成通车13年，在长期运营过程中出现各种病害问题，其中主梁跨中下挠和箱梁裂缝为主要问题。

（1）下挠。根据该竣工初期实测桥面线形及近期实测桥面线形分析可知，竣工时该桥中跨合龙段预拱度为41mm，近期检测结果显示该位置相对设计线形下挠195mm，预抛高值已耗尽，相对于成桥状态累计下挠达236mm。

（2）裂缝。该桥近期检测结果显示，在箱梁外部及内部发现较多裂缝，主要分布为箱梁底板横向、纵向裂缝及腹板斜向裂缝，特别在主跨跨中位置横向裂缝分布密集，多数裂缝长0.6～1.5m，宽0.1～0.15mm，最长裂缝达8m，宽0.2mm。

（3）病害分析。大跨径连续刚构桥跨中下挠及梁体裂缝是该类型桥梁的常见病害，结合本桥实际情况分析成因主要包括如下几个方面：①该桥服役时间已长达13年，主梁有效预应力存在一定程度的损失，梁体混凝土压应力储备降低，尤其是顶板束的损失对跨中下挠影响较为明显；②箱梁顶板纵向预应力束没有设置下弯，削弱了主梁下挠的抑制作用；③混凝土收缩徐变系数与混凝土的配合比、施工环境及各种添加剂等因素均紧密相关，通常主梁混凝土在多重因素影响下的实际徐变量要高于理论徐变量；④箱梁裂缝降低了结构刚度，从而加剧了主梁下挠。

2 加固设计检算

采用空间有限元专用程序对该桥建立加固模型，根据桥梁现状，分四种工况进行检算：（1）按原設计复算。（2）按原设计并考虑预应力损失30%及开裂区刚度折减15%。（3）按原设计进行加固。（4）按原设计并考虑预应力损失30%及开裂区刚度折减15%后进行加固。

按《公路桥涵加固设计规范》要求进行正常使用极限状态计算和承载能力极限状态计算，由计算结果可知：（1）在正常使用极限状态下，加固前主跨跨中截面与合龙段下缘处于受压状态，应力值分别为-1.0～-5.1MPa与-1.1～ -5.1MPa，加固后主跨跨中与合龙段下缘的应力值分别为-3.1～-7.3MPa与-4.4～-8.5 MPa，加固后主跨跨中与合龙段下缘压应力储备得到明显提高，加固引起的主梁混凝土应力增量变化见图1。（2）正常使用极限状态下，加固前考虑预应力损失及截面刚度折减跨中合龙段下挠107.2mm小于实际下挠值，主梁还存在开裂、变位、实际收缩徐变等引起的下挠。（3）加固后跨中合龙段上拱21.9mm，桥面线形得到调整，加固引起的主梁变形见图2。

3 加固施工监测

借助该桥已安装运行的远程健康监测系统实现对该桥加固施工的全过程实时监控，从而及时掌握加固过程中桥梁线形变化情况以指导施工；同时为了进行对比验证，还采用水准仪进行人工现场观测。

3.1 远程监测系统简介

该桥远程健康监测系统的监测内容主要包括环境监测（温度等）、动态监测（加速度、固有频率等）及静态监测（变形等）。其中桥梁结构静变位是通过在关键截面布置高精度倾斜角度计监测倾角变化，并将倾角值换算为相应截面的位移而得到。

3.2 监测结果及分析

通过对该桥体外预应力加固施工前两天、加固过程及加固后四天的跨中合龙段截面位移远程监测数据（见图3）分析可知，在整个加固过程中，跨中位移变化正常，结构处于安全状态；加固后四天运营过程中采集的数据变化表明跨中合龙段位移逐渐上拱后趋于稳定（其中在车流量较小的夜间采集的数据更为直观地表明加固后桥梁上拱情况），最大上拱值为15.80mm。此外，人工观测结果（见图4）也表明该桥加固后桥面线形得到调整，跨中最大上拱值达到16.76mm，两种监测方法的结果相符，且均与计算值较吻合。

4 结论

（1）计算分析和施工监测结果表明，采用体外预应力加固能使主梁上拱，对解决主梁下挠过大、调整桥面线形、改善行车条件有一定作用；采用体外预应力能提高原桥梁正截面抗弯承载能力；由于预加力的作用会使原桥梁裂缝部分闭合，提高压应力储备，限制新的裂缝出现和发展，对提高结构的耐久性是有利的。

（2）对体外预应力加固的非对称大跨径连续刚构桥超静定结构力学分析，宜采用空间有限元程序进行计算分析。

（3）借助桥梁健康监测系统对加固施工进行全过程监测以掌握桥梁结构变化，可有效指导施工并提供有利的安全保障。

参考文献

[1] 张艳.体外预应力法在连续刚构桥加固中的应用研究[D].西南交通大学，2005.

[2] 段智馨.体外预应力技术加固连续刚构桥的实例应用[J].中外公路，2013，33（4）：179-181.

[3] 胡志坚，郭友，谭金华.体外预应力混凝土结构研究现状与展望[J].公路交通科技，2006，23（2）：94-97.endprint