后增钢桁架体外预应力加固新方法应用研究

杜鑫 闫佳磊 陈佩 张波

摘 要：为了解决混凝土梁式桥在服役期间出现承载能力和整体性能下降的问题，以大广高速公路陇海铁路立交桥的加固实例为背景，介绍了一种新型后增钢桁架体外预应力桥梁加固方法。实践证明：该加固方案能显著提高旧桥的承载能力和抗裂性能。此外，该工法便于施工、可操作性强，适用范围广，能为同类加固工程提供有益借鉴。

关键词：混凝土梁式桥;加固技术;体外预应力;钢桁架;承载能力

中图分类号：U445.7+2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）29-0103-04

Abstract： In order to solve the problem that the bearing capacity and overall performance of concrete girder bridges decrease during service， a new reinforcement method of external prestressing bridge with Post-reinforced steel truss was introduced based on the reinforcement example of Longhai Railway Overpass on Daguang Expressway. Practice had proved that the reinforcement scheme could significantly improve the bearing capacity and crack resistance of the old bridge. In addition， this method is easy to construct， easy to operate and has a wide range of applications， which can provide useful reference for similar reinforcement projects.

Keywords： concrete beam bridge;reinforcement technology;external prestressed;steel truss;carrying capacity

近年来，社会经济对交通基础设施的承载能力和耐久性能要求越来越高，按照以前荷载规范设计的既有桥梁不可避免会出现超载受力的工况[1]，长期服役将出现受力性能恶化，整体刚度和承载能力下降，甚至出现危及桥梁使用安全的严重病害。此外，这类桥梁大多具有在役年限短、保有数量大的特点[2]，拆除重建经济成本高，同时影响既有交通运行，处理这类问题的合理措施是检测评定后进行加固设计，因此研究桥梁检测加固新技术具有重要价值。

目前，为了提高既有桥梁的承载能力，常采用体外预应力技术对其进行加固。常用的体外预应力加固技术包括体外预应力钢丝束加固法和下撑式预应力拉杆（粗钢筋）加固法[3，4]。但是，其加固前均需清凿混凝土保护层，对梁体有一定程度的损坏。若桥梁病害表現为横向联系不足，可采用横隔板加固方法来提高桥梁的横向联系刚度。目前，横隔板加固方式有增设横隔板、设置横向预应力构件、加大横隔板的尺寸、粘锚钢板等。设置横向预应力构件的施工工艺较复杂，且施工难度较大，对原结构的损伤也较大。加大横隔板尺寸与增设横隔板的方式相比，前者可以在加大横隔板尺寸的同时修复原横隔板的病害，后者则需要另进行烦琐的修复原横隔板的工作。粘贴钢板法适合于病害轻微或未出现明显病害的横隔板补强[5，6]。以上加固方法均有不足之处。因此，本文提出后增钢桁架体外预应力加固新方法。该方法可以极大提高在役病害桥梁的承载能力和耐久性能，同时此方法便于施工，可操作性强，适用范围广。

1 工程概况

1.1 工程背景

大广高速公路陇海铁路立交桥全长767.774m，6联34跨装配式预应力混凝土连续梁桥，部分预应力混凝土A类构件，具体跨径组合：6×20m+7×20m+4×40m+6×20m+6×20m+5×20m。单幅桥面净宽为：净2×0.5m+12.5m。该桥于2006年11月建成通车，2017年6月7日特殊检查显示该桥病害严重，其病害主要表现为：桥面铺装纵向裂缝、网裂、沉陷;伸缩缝锚固区混凝土裂缝及破损;大量梁板存在跨中U型裂缝、竖向斜向裂缝，部分梁板裂缝存在纵向裂缝，横隔板出现斜向裂缝。经统计，主梁U形裂缝<0.15mm共127m，主梁U形裂缝≥0.15mm共64m。按照《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）[7]将大广高速陇海铁路立交桥桥梁总体技术状况评定为4类。

1.2 病害原理分析

桥梁在运营阶段出现了大量的跨中U型裂缝。从结构上讲，这是因为在长期使用过程中预应力损失造成部分连续端负弯矩不满足设计要求，弯矩削峰作用减弱，进而导致中跨箱梁跨中弯矩作用明显增大，出现应力超限等情况。此外，大广高速跨陇海铁路立交桥的横隔板设置较少，20m跨没有设置横隔板，40m跨仅设置有一道横隔板，并且湿接缝宽度偏宽，整桥梁间的横向联系较弱，容易出现横向受力分布不均，增加了单梁跨中弯矩效应。从外部荷载上讲，这是因为经济发展导致的交通荷载增大，超载情况增多，也会导致跨中弯矩效应增大。大广高速跨陇海铁路立交桥裂缝病害中存在大量非结构性裂缝，此类裂缝不影响承载能力，但影响耐久性，任由其发展会造成钢筋锈胀、混凝土脱落、露筋等问题。可通过混凝修复技术处理这些病害，从而恢复钢筋的使用性能。

2 加固工法

以大广高速公路陇海铁路立交桥20m跨径箱梁的加固为例。对于底腹板出现的竖向裂缝、U形裂缝，采用体外预应力加固，以恢复梁体的抗弯性能。体外预应力加固方案具体如下：①跨中U型裂缝沿跨径方向间距总长度小于1/4跨径或U型裂缝道数小于5道的，在底板增设4根钢绞线;②跨中U型裂缝沿跨径方向间距总长度大于1/4跨径或U型裂缝道数大于5道的，在底板增设6根钢绞线[8]。在预应力混凝土连续箱梁底板相应位置安装钢锚固块，新增锚固块采用特制钢构件，体外预应力索采用环氧涂敷无粘结钢绞线，外置PE防护套，采用专用可更换的体外预应力锚具。考虑到本桥20m箱梁未设置跨中横隔板，为增强箱梁间的横向联系，恢复梁板荷载承载力，本次加固设计分左右两幅，对于一跨箱梁中出现一道以上U型裂缝或者竖向裂缝的位置，在跨中处设置一道3片横隔板，连结半幅的四片箱梁，横隔板采用钢桁架形式。具体加固方案如图1所示。

2.1 工法特点及适用范围

本技术便于施工且可操作性强，加固后能改善桥梁结构的受力状况，大幅提高桥梁的承载能力，有效抑制裂缝的发展，提高桥梁结构的耐久性。与其他桥梁加固方法相比，采用后增钢桁架体外预应力的方法加固桥梁，能较大幅度提高旧桥承载能力和桥梁的整体受力性能;所需设备简单，人力投入少，施工工期短，经济效果较明显;在加固过程中，可以实现不中断交通或短时限制交通;对原桥损伤较小，可以做到不影响桥下净空，且不增加路面高程;能恢复甚至提高桥梁的荷载等级。

后增钢桁架体外预应力桥梁加固方法适用于结构受力损伤或需要荷载等级提升的装配式组合梁，尤其是抗弯承载力不足且桥梁间横向联系较弱的桥梁。该维修加固方法可在不损伤原结构的前提下对桥梁进行维修加固，避免了不必要的拆除和更换，可以实现不影响桥下净空;在加固过程中，可以不中断交通或短时限制交通，适合交通繁忙的桥梁。

2.2 工法原理

体外预应力是后张预应力体系的重要分支，预应力筋位于混凝土结构的外部，仅在锚固及转向块处与结构相连。体外预应力技术具有诸多优点（施工方便，经济可靠;简单的预应力钢束线条走向大大减少了摩阻力作用;便于调整索力和检查、养护、更换体外预应力钢束;施工时不必封闭桥上交通等[9]），能显著提高结构承载力和抗裂度，并能有效改善结构的应力状态，已被广泛应用于旧桥的加固工程中。钢桁架在后增钢桁架体外预应力加固方法中起到横隔板的作用。横隔板在保证截面梁桥横向稳定中起着重要作用，保证主梁之间的连接和调整各梁的不均匀荷载，减少或避免相邻主梁在外力作用下产生不同的竖向位移进而产生竖缝的情况，提高了梁体的抗扭刚度。同时，箱形梁内设置横隔板，可提高梁体的抗扭稳定性，增加截面的横向刚度，限制畸变应力。横隔板是使桥梁成为空间整体结构的重要组成部分，必须具有足够的强度和刚度，强度愈大，传递荷载的能力就愈强，支承处横隔板能承受的支承反力就越大;刚度愈大，桥梁的整体性愈好，在荷载作用下各主梁就能更好地共同工作。

2.3 施工工艺流程及操作要点

后增钢桁架体外预应力桥梁加固方法总体施工顺序[10]如图2所示。

新增锚固块、减震装置及新增横隔板放样时，应避开原钢筋、预应力束，并用红漆在底板标明位置。新增横隔板放样时，应预留出预应力钢束位置，以保证预应力钢绞线可以穿过。为保证钢板灌注粘贴质量，应在钢板下料时，在每块钢板上预留不少于3个出胶孔，完成后，应严格按照要求对钢板制进行防腐涂装。按设计的位置钻孔，若孔位碰到原有钢筋或和锚具密封筒有冲突，可适当调整钻孔位置。钻孔时，要了解锚固区钢筋的分布情况，不能盲目造成过多的废料孔，废料孔应用原结构混凝土标号或高标号聚合物混凝土及时修补。锚固支撑构件与锚固采用焊接连接，焊接环境湿度不大于80%，环境温度不应低于5℃，CO2气体纯度必须大于99.5%。焊接前，预热温度应通过焊接性试验和焊接工艺评定确定，预热范围一般为焊缝每侧100mm以上，距离焊缝30～50mm内测温。穿布新增预应力束时，注意不要损坏钢绞线外的PE护套，应采用超张拉式重复张拉的方法张拉预应力束，以消除由于张拉次序先后引起预应力束的弹性压缩损失。预应力束张拉严格以吨位和引伸量双控，张拉过程中应对新增锚固端、负弯矩区域进行观测，以防止意外发生，并检验加固效果，若有异常情况发生，应立即停止张拉。体外预应力束张拉完成后，应给张拉端套上保护套，以利于二次张拉及换索。钢桁架与锚栓之间采用抗剪套筒与焊接连接，杆件均采用焊接形式，焊接过程要严格按照规范执行，以确保焊缝质量。沿裂缝方向每隔350～500mm骑缝埋设灌浆嘴，当从1个灌浆嘴灌浆时，其他灌浆嘴可当作排气嘴使用。将灌浆嘴先固定在预定的位置上，在灌浆嘴四周及外表面用厚约5mm的结构胶将灌浆嘴密封、粘结好。

3 加固效果评价

依托大广高速公路陇海铁路立交桥加固专项工程，此项目为4类构件的维修加固，设计方案以恢复构件使用功能、一定程度上恢复承载能力、保障结构安全性和耐久性为目的。设计中区分构件结构性病害与非结构性病害，对于非结构性病害的构件，维修方案以恢复使用功能和耐久性为主;对于结构性病害及受力构件，维修加固时以恢复构件使用功能和承载能力。采用后增钢桁架体外预应力桥梁加固方法加固后的桥梁耐久性、整体性、承载能力均得到了明显改善，桥面的平整度达到了设计要求。以下是采用Midas/Civil程序计算后增钢桁架体外预应力桥梁加固方法加固的箱梁，以40m箱梁加固前后为代表，对比各项指标数据，对比结果如表1所示。

通过计算可知，采用后增钢桁架体外预应力桥梁加固方法加固后，大广高速公路陇海铁路立交桥桥梁构件使用功能、承载能力、安全性、耐久性等各项指标都明显提高，满足设计要求和实际承载需求。其中，20m箱梁正截面抗裂能力提升显著高达175%;20、40m箱梁加固后箱梁抗弯承载能力和箱梁抗剪承载能力均较原设计有较大提升，最大抗力与最大弯矩之比分别提升了5.41%和11.64%，均能满足结构的设计要求与通行要求。

4 结语

本文针对某一混凝土梁式桥在服役期间出现承载能力和整体性能降低的问题，分析了病害成因，详细介绍了一种后增钢桁架体外预应力桥梁加固方法，并对该加固方法的加固原理进行解释，同时指出该工法的特点及适用范围，详细介绍了新工法的施工工艺流程和操作要点。实践效果表明，该工法能大幅提高旧桥承载能力和桥梁的整体受力性能，是解决危桥加固的一种有益探索，可为同类问题提供有益参考。

参考文献：

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[10]李加林.连续箱梁桥加固技术及加固效果分析[J].中外公路，2007（4）：146-149.