基于荷载试验的连续梁桥体外预应力加固效果评价研究分析

项载健 郭永康 张弋强

摘要：材料劣化、缺陷累积会对桥梁结构的刚度甚至承载能力造成较大的影响，因此对于桥梁结构进行主动加固处理成为当前加固处理的优先选择方式。文章基于某连续梁桥，在进行外观质量检测和荷载试验评价的基础上，提出了进行体外预应力主动加固的方式，对加固设计原则和方案进行了详细分析，针对体外预应力加固技术对于桥梁结构的挠度、应变的改善情况进行了对比分析。结果证明：体外预应力加固技术对于桥梁结构的预应力度和刚度的提高具有良好的促进作用，相关研究可较大促进体外预应力加固技术的推广应用，对于类似工程可提供理论和经验借鉴。

关键词：连续梁桥;预应力度下降;刚度下降;体外预应力;效果评价

中图分类号：U448.215 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.025

文章编号：1673-4874（2019）10-0085-05

0引言

由于材料、结构本身存在全寿命周期裂化，加上自然灾害、设计缺陷和施工初始缺陷，造成桥梁结构承载能力不断下降。对于预应力混凝土连续梁桥而言，由于初始损伤的演化和不断积累，导致预应力度有一定程度下降，对桥梁结构的安全使用造成较大影响。因此选择高效合理的加固方式对预应力连续梁桥进行加固修复，对于提升其预应力度和结构承载能力都具有重要意义。作为桥梁结构加固处理的众多方法之一，体外预应力加固技术一经推出，便因其施工方便、节省材料、减轻自重、降低造价和方便检修维护更换的优势得到了广泛的推广应用。针对体外预应力技术，国内外学者展开了大量研究，如荣学亮等提出了体外预应力筋极限应力的实用计算公式，为体外预应力的推广应用打下了基础。张继文等对体外预应力加固非预应力钢筋混凝土简支梁的作用机理进行了分析，扩展了体外预应力加固技术的应用范围。沈颖坤对采用体外预应力加固的框架梁结构内力变化进行了对比分析，为体外预应力加固处理的评价打下了基础。根据上述研究发现，当前研究多集中于体外预应力结构的加固理论分析，缺少对于体外预应力加固技术适用情况和加固效果的评价分析，因此本文在对某连续梁桥进行外观检测和荷载试验评价的基础上，提出了运用体外预应力主动加固的方式进行处理，通过理论值和加固前后的主跨跨中的挠度值和应变值进行对比分析，结果证明体外预应力加固处理可确保提高桥梁结构预应力度和桥梁结构刚度，这对于未来体外预应力加固技术的推广应用起到了较好的促进作用。

1工程概况

本工程位于某互通区G匝道上，为匝道（共划分为七联）第五联，上部结构为预应力混凝土连续箱梁，单箱单室结构，跨径组合为（32.0+34.0+32.0）m，梁高为2.10m，顶板宽12.50m，顶板厚28cm，底板宽7.20m，底板厚25cm。本桥一般构造如图]所示。

2桥梁健康状况评价

2.1外观质量评价

桥梁检测报告显示，本工程连续梁外观裂缝较多，以下进行详细介绍：

（1）15*梁底1/4跨-15*墩存在32条裂缝，裂缝越靠近跨中分布越密集，裂缝宽度在0.08-0.24mm不等，部分裂缝与腹板竖向裂缝相连，形成“L”或“U”型裂缝。

（2）16*跨梁底1/5-3/4跨存在16条裂缝，个别裂缝与腹板竖向裂缝相连，形成“L”型裂缝。

（3）17*跨1/4-3/4跨存在11条横缝。

（4）主跨和边跨跨中存在较大挠度变形，接近规范要求容许值，结构承载潜力已经发掘殆尽。

2.2 承載能力评价

基于定期检查病害情况，针对本工程连续梁桥进行了静载试验。以下针对边跨和中跨相关参数进行详细分析，具体如表1所示。

根据表1可知，该桥结构工作状态如下：

（1）满载作用下，挠度校验系数为1.02，不满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）中挠度校验系数0.70-1.0范围内的要求;应变校验系数为1.84，不满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）中应变校验系数0.60-0.90范围内的要求。

（2）卸载后结构相对残余位移为-5.5%--1.3%，相对残余应变为-5.9%-0.0%，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）中<20%的要求，且卸载后裂缝基本能恢复，说明结构仍处于弹性工作状态。

（3）荷载作用下，裂缝监测显示裂缝宽度增加幅度较大，满载作用下裂缝宽度最大增量为0.081mm，且箱梁底板应变值离散性大，说明结构梁体预应力储备不足，结构受力接近于桥梁结构设计的极限受力状态。

2.3健康状况评价结论

根据桥梁外观检测报告和荷载试验状况，同时考虑该桥位于交通千道上，交通任务较为繁重，因此桥梁健康评价结果如下：

（1）外观检测报告显示，桥梁底部横向裂缝较多，这主要是由结构刚度不足引起挠度过大造成的，因此加固方案拟优先考虑采用提高桥梁刚度的加固方式。

（2）根据静载试验报告，挠度校验系数和应变校验系数均不满足规范要求，无法满足当前公路交通通行的要求，因此拟考虑通过加固提高桥梁结构的承载能力。

3体外预应力加固设计

3.1加固设计原则

根据桥梁检测报告显示，桥梁底部横向裂缝较多和挠度过大，因此在安全、合理、技术可行的前提下充分利用原有结构进行加固处理。具体加固设计原则如下：

（1）首先封闭原有裂缝，避免有害物质侵入结构内部，引起普通钢筋和预应力钢束锈蚀，从而降低结构刚度和承载能力。

（2）对于关键截面如跨中、接缝处的裂缝采用局部补强方式进行封闭处理，避免裂缝进一步扩展，对结构安全造成影响。

（3）鉴于桥梁结构病害主要是由预应力度不足引起的，因此桥梁的加固设计应充分考虑预应力的补充，恢复结构设计预应力状态。

3.2 加固方案设计

针对本工程梁桥的病害情况，拟采取主动加固方式，主要措施如下：

（1）首先在箱梁底部对裂缝进行局部补强处理，并对于裂缝宽度<0.1mm的裂缝进行封闭处理;对于跨中裂缝较为集中的区域，采用粘贴钢板的方式进行加固处理。

（2）在箱梁裂缝封闭完毕后，采取补充体外预应力从而提高预应力度和结构刚度的方式进行加固，具体如图2所示。

4 加固效果评价

为了评价体外预应力加固箱梁效果，拟采取荷载试验对于理论计算及加固前和加固后主梁跨中挠度、应变的变化进行对比，评价体外预应力加固处理效果。以下进行详细分析：

4.1荷载试验方案

鉴于本次荷载试验是为了验证桥梁结构在加固后的实际性能是否满足原设计荷载和加固后对于原结构预应力度补充的程度，因此拟针对主跨跨中挠度和应变进行荷载试验。具体测试截面如图3所示。

静载试验模拟在设计汽车荷载作用下桥跨的最不利受力和变形，为了对比加固前后的桥梁承载能力情况，加固前后静载试验布载方式相同。采用6辆重约300kN的车辆进行偏载加载，为了保障加载安全，正式加载前对桥梁进行预加载，每个工况分四级进行加载，荷载效率和加载车辆布置分别如表2和图4所示。

4.2 整体挠度对比分析

对于加固前后所有测点挠度进行统计，得到理论弹性变形值、加固前后弹性变形值的对比分析如图5所示。

根据图5可知，采用体外预应力加固连续梁后，对于梁板的刚度具有一定程度的提升，具体表现在主梁跨中挠度相比加固前减小了很大一部分，相对于抗弯承载能力的提升，体外预应力加固具有较大程度的优势。从结构受力分析看，如果不考虑结构抗剪承载能力，体外预应力能够有效延迟混凝土截面开裂，增强混凝土对于钢筋的握裹力，有效增强纵向钢筋的消栓作用。

4.3 关键截面挠度结果对比分析

4.3.1 测点布置

为了对比分析体外预应力加固对于应变情况的改善，应变测点布置与加固前应变测点一致。对于桥梁结构挠度的测试，主要测量跨中和端部挠度，为了对比分析体外预应力的加固效果，加固前后的测点保持一致。具体如图6所示。

4.3.2 挠度测量结果分析

为了有效分析桥梁加固前后的桥梁预应力度、刚度的变化，选择桥梁理论计算、加载前后的跨中挠度实测值进行分析。为了解分析桥梁结构弹性变形能力和安全考虑，桥梁满载加载选择四级加载方式进行布置，具体校验系数和不同加载级别挠度值和加载效率对比分析结果如表3和图7所示。

根据表3可知，加固前主梁荷载试验挠度校验系数为1.06，不满足规范0.7-1.0的要求，加固后荷载校验系数为0.81，满足规范0.7-1.0的要求，由此判断经过体外预应力系统的加固，本工程连续梁桥的受力性能得到一定程度的改善，相应的刚度和承载能力有所提升。根据图7可知，加固前随着加载效率提高，挠度变形存在折线情况，说明桥梁已经达到弹性状态极限，存在部分非弹性变形;而在体外预应力加载后，隨着加载过程的进行，桥梁挠度逐渐增加，且近似为线形结构，说明四级加载完成后的满载状况下桥梁仍处于弹性状态，且与理论弹性变形值对比分析可知，加固后的桥梁挠度相对较小，说明加固后的桥梁承载能力具有较大的安全冗余。

4.4 应变结果对比分析

4.4.1测点布置

考虑到跨中裂缝较多，底板每个测点沿纵桥向交错搭接布设5个应变片，然后求实测值的平均值。应变测量布置如图8所示。为了确保底板应变测点的精确性，每一个测点选择5条应变片进行均匀布置，然后求平均值，具体如图9所示。同时，设置温度补偿点，对应变测点的温度影响进行修正。

4.4.2 应变测试结果

为了对比分析体外预应力加固方法的效果，以下针对理论计算和加固前后的应变测试结果进行分析，具体结果如表4和图10所示。

由表4和图10分析，得到以下结论：

（1）校验系数分析。加固前，桥梁结构满载作用下C-C截面下缘应变理论值为70με实测平均值为62με，应变校验系数为0.89，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/TJ21-01-2015）中应变校验系数0.6-0.9的常值范围要求。

（2）对比分析。加固前试验应变校验系数为1.84，加固后应变校验系数为0.89，由此判断经过维修加固后结构的受力性能有一定改善，与挠度测试结果相吻合。

5 结语

鉴于体外预应力加固技术的诸多优势，其在桥梁结构尤其是预应力桥梁结构的加固处理中得到了较为广泛的应用。基于某实际工程，本文首先从桥梁外观质量和荷载试验对桥梁健康状况进行评价，针对桥梁健康评价结果，提出了体外预应力设计的结论，最后通过理论分析及加固前后跨中挠度和应变进行了对比分析。结果表明，体外预应力加固能够大大提高桥梁结构的预应力度，进而提高桥梁结构的刚度和承载能力，较好地保障了桥梁结构的健康安全运营。本文系统研究了体外预应力结构在桥梁加固中的设计和加固效果评价，对于体外预应力加固技术的推广应用起到了较好的促进作用。