大跨径预应力混凝土箱梁加固设计及效果验证方法研究

□文 /王振宇

预应力混凝土连续梁桥以其自身独特的优点在我国得到了迅速的发展，但是随着其服役时间的增长，桥梁结构性能的日益退化，承载能力会呈现一定程度的下降，预应力有所损失，一般表现为梁体的开裂和下挠[1～2]。大量工程表明，体外预应力加固法能有效抑制预应力混凝土连续梁桥跨中下挠、裂缝开展[3～8]。但是由于其预应力损失具体量值难以确定，加固预应力配筋的数量及面积的确定成为了加固设计中的难点，加固后的效果验证是整个工程的重点。桥梁加固后，一般可以利用荷载试验检验是否达到加固设计预期的效果[9]。本文以某公路桥梁加固工程为例，提出裂缝宽度试算法进行加固预应力束配筋设计，通过桥梁荷载试验来检验桥梁加固的实际效果，为桥梁采用合理的加固方法提供良好的工程实践经验。

1 工程概况

某公路跨线立交桥其中一联（8#墩～11#墩）维修加固工程为跨径布置45 m+50 m+45 m大跨径预应力混凝土连续箱梁，箱梁横断面为单箱四室，等高截面，梁高2.8 m，箱梁顶板宽21.25 m，底板宽16.074 m，翼板宽2 m，见图1。

图1 箱梁跨中横截面

该桥设计荷载等级为公路-I级，预应力箱梁设计为部分预应力A类构件，8#～9#墩箱梁在检测过程中发现跨中出现底板横向裂缝以及腹板竖向裂缝，同时跨中呈现一定程度的下挠，不满足规范[10]对预应力结构的要求；以设计荷载为控制荷载，对该孔跨进行静载试验，裂缝进一步开展，桥梁实测挠度与应力均大于计算值，试验结果不满足评定规程[11]的要求，表明该桥承载能力不满足公路-I级荷载标准。以上两点已表明，该联箱梁有效预应力损失，刚度及承载能力下降，需要维修加固。

2 梁加固方法的确定

根据大跨径混凝土梁桥的病害特点，桥梁加固目标为改善桥梁的桥面线形，缓和跨中下挠，提高承载能力，抑制裂缝扩展。体外预应力加固技术受力明确、加固效果好、加固质量可控，可以减少或限制结构的裂缝和其他变形[12]。这是一种主动加固方式，其原理是利用体外预应力对原构件施加一定的初始应力，使结构在正常使用状态下受力最不利截面具有一定的压应力储备，结构基本呈现弹性受力状态[13]。

由于该联为大跨径预应力混凝土箱梁结构，梁高较高，考虑既要抑制梁体开裂和下挠，又要提高箱梁刚度，最终确定8#～9#墩箱梁采用箱室植筋浇筑混凝土形成预应力管道，施加体外预应力束主动加固的方法。该加固方式的优点是，由于预应力与梁体有粘结作用，从而整体性好，预应力能更加有效作用至梁体。

3 桥梁加固预应力束配筋设计

体外预应力加固原理就是弥补原有体内预应力损失，但难点是如何确定预应力损失量，从而确定相应的配筋量。

国内学者进行了大量的试验及理论研究：徐栋等[14]通过试验分析了体外预应力梁在整个加载过程中的反应，编写了有限元非线性分析程序，用来分析体外预应力作用下的结构特性；牛斌等[15]通过试验建立了体外预应力混凝土梁在受弯情况下全过程非线性分析的计算方法和计算程序，提出了体外预应力混凝土梁在极限状态下承载力的计算方法；张耀庭等[16～17]通过理论和试验相结合，对体外预应力混凝土梁的极限承载力和短期挠度进行了研究与分析并提出了一套相应的理论计算公式。以上学者分别通过不同的角度探索了体外预应力混凝土梁的计算与分析方法，为体外预应力的发展提供了理论依据。

本工程以预应力开裂损伤的重要参数——裂缝宽度为研究对象，通过模拟预应力失效，计算裂缝宽度，与实际裂缝宽度进行对比验证，来确定预应力的损失量，从而完成预应力加固配筋设计。相对于其他设计方法，该方法直观有效，简单可行，易推广。

以本工程为例，采用裂缝宽度试算法计算加固预应力束配筋过程如下：

1）采用Midas/civil建立箱梁原设计状态下的模型，对其按预应力B类构件进行计算；

2）通过逐步对称减少模型中预应力钢束，计算出在设计荷载标准作用下箱梁模型裂缝宽度并与实际裂缝宽度进行对比，当模型裂缝宽度接近实际裂缝宽度时，不再进行预应力损失的模拟；

3）在第二步基础上，再模拟加固混凝土（体外预应力管道）重量的作用，得出预应力损失以及后期加固混凝土重量作用下的裂缝宽度；

4）通过模型计算，箱梁在减少8束12φS15.2 mm预应力筋后，裂缝宽度接近实际裂缝宽度（0.16 mm），加固混凝土作用下的裂缝宽度为0.02 mm，则本次加固预应力配筋的目标裂缝宽度为0.18 mm，即通过加固预应力筋使得在第三步基础上的模型裂缝宽度为0；

5）通过裂缝宽度试算法计算以及实际预应力束规格的要求，同时考虑施工张拉对称性，得出在8#～9#墩箱室内应补充16束7φS15.2 mm无粘结预应力钢束，配筋设计试算过程见图2。

图2 利用裂缝宽度法试算进行配筋设计过程

在8#～9#墩箱室内底板植筋，浇筑混凝土形成预应力管道，最后进行预应力钢束张拉，见图3和图4。

加固过程中新旧混凝土施工注意事项：新浇筑混凝土采用自密实混凝土；箱梁底板进行凿毛，纹理均匀、洁净、无杂质，涂刷新旧混凝土界面处理剂，增强新老混凝土的结合；植筋采用桥梁专用改性环氧胶粘剂并且现场进行抗拉拔试验合格后才能浇筑新混凝土。

图3 8#～9#墩箱梁加固纵断面

图4 8#～9#墩箱梁加固横断面

4 加固效果验证

为进一步了解掌握该联箱梁加固前后的承载能力，为加固设计提供数据支持，同时验证加固后箱梁承载能力是否提高，在加固前后分别对该联箱梁进行荷载试验。根据评定规程要求选择控制截面，其中以8#～9#墩箱梁跨中最大正弯矩为控制截面；控制荷载标准均为原设计荷载标准公路-I级，试验效率满足规范要求；前后两次荷载试验加载重量一致。

4.1 挠度测试结果

在8#～9#墩箱梁L/4、跨中、3L/4布置挠度测点，加固前后两次荷载试验实测挠度值与理论计算值对比见表1，纵桥向挠度曲线对比见图5。

表1 加固前后8#～9#墩箱梁荷载试验挠度实测值对比 mm

图5 加固前后8#～9#墩箱梁荷载试验挠度实测值对比

由表1和图5可知，各测点加固后实测挠度值小于理论值，结果满足评定规程要求，表明该桥承载能力满足公路-I级荷载标准；各测点的加固后实测挠度值比加固前实测挠度值明显降低，其中跨中截面挠度值降低了50%左右，由于结构挠度与刚度成反比，表明加固后结构刚度大幅度提高，这是因为一方面加固后结构截面底板变厚，另一方面预压力作用使箱梁加固后刚度比之前开裂刚度有所改善。

4.2 裂缝观测结果

在8#～9#墩箱梁跨中截面选取典型腹板竖向裂缝及底板横向裂缝的宽度进行观测，加固前后两次荷载试验裂缝宽度观测数值对比见表2。

表2 加固前后8#～9#墩箱梁荷载试验裂缝观测对比 mm

由表2可知，由于体外预应力束作用，加固后底板裂缝的初始宽度闭合，腹板裂缝的初始宽度闭合了0.18 mm；加固前在加载作用下，裂缝宽度增大，卸载后恢复原宽度；加固后在加载作用下，裂缝宽度未发生变化。由此说明8#～9#墩箱梁在进行加固后，裂缝在荷载作用下的开裂受到了明显的限制。

综合荷载试验挠度和裂缝的观测结果，8#～9#墩箱梁通过体内预应力束的加固方式，减小梁体变形，抑制裂缝开展，不仅提高了桥梁结构的刚度及承载能力并使桥梁的使用功能及耐久性均得到了有效的补充。

同时 9#～10#墩、10#～11#墩箱梁在 8#～9#墩箱梁加固前后荷载试验结果一致，表明8#～9#墩的加固方法未改变原结构体系，不影响其他孔跨的受力特性。

5 结论

1）本文中提出的裂缝宽度试算法可以有效的指导预应力混凝土箱梁开裂损伤后加固预应力束的配筋设计并且简单可行。

2）通过荷载试验表明，对于大跨径预应力混凝土箱梁采用体内预应力束的主动加固方式能有效地提高桥梁的承载能力，能限制裂缝的开展，提高桥梁结构的使用功能和耐久性。

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