某匝道桥体外预应力加固设计

唐学庆

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司 大连市 116024)

1 项目概述

某匝道桥为预应力混凝土三跨连续梁桥，跨径布置为3×30m=90m，桥宽8m，桥面横坡单向1.5%，通过调整腹板高度形成，桥面具体布置如图1所示。主梁采用单箱单室箱形截面，腹板为斜腹板，中心处梁高1.956m，立剖面构造如图2所示；标准段顶、底板厚28cm，腹板厚45cm；横梁处顶、底板厚50cm，腹板厚100cm，渐变段长度分别为2m和7m；悬臂板长1m，端部厚度20cm，根部厚度30cm，悬臂下缘与腹板外侧间倒角半径为1m；端横梁厚130cm，中横梁厚150cm。

主梁采用C50混凝土，HRB335钢筋，标准强度fpk=1860MPa钢绞线。桥墩横桥向呈Y型，上宽下窄，外侧面以曲线过渡，立面呈花瓶形状，采用C40混凝土。承台厚2m，采用C30混凝土。基础采用钻孔灌注桩基础，桩径1.5m，采用C30混凝土。支座均采用耐寒型盆式橡胶支座。

经现场动、静载试验和外观检测，现状主梁的承载能力极限状态满足规范要求，但梁体开裂已不满足原设计全预应力混凝土构件的要求，即正常使用极限状态不满足规范要求。主梁在边跨1/4L～3/4L位置存在底板横向裂缝及腹板竖向裂缝，横向裂缝与竖向裂缝大部分相互对应，裂缝纵向间距大致在15～30cm之间，底板横向裂缝宽度约0.10～0.19mm，腹板竖向裂缝宽度约0.15mm，典型裂缝分布如图3所示。

2 原因分析与验证

从受力方面考虑，桥跨中部产生裂缝的原因很多：

(1)模板偏差及浇注混凝土时胀模，导致混凝土超方；

(2)预应力钢束张拉前，跨中支架沉降；

(3)预应力钢束张拉不足或发生非常规预应力损失；

(4)基础不均匀沉降；

(5)运营期间车辆超载等。

对于该匝道桥，很难判断裂缝的产生是否由单一因素造成，经专家评审，认为预应力损失过多及基础不均匀沉降是最有可能的原因。

采用Midas Civil软件，建立主梁的三维模型，分别从预应力损失和支点不均匀沉降两方面研究结构的受力情况。模型中包含51个节点、50个单元，其中主梁采用梁单元模拟，支座采用一般支撑模拟，计算模型如图4所示。

(1)取消、折减部分腹板束，主梁各跨中部可出现不小于0.15mm宽的裂缝；

(2)中支点沉降2cm，主梁各跨中部可出现不小于0.10mm宽的裂缝。

由此可见，桥梁使用期间，非常规的预应力损失及基础不均匀沉降，均能引起与该匝道现状裂缝分布情况吻合的开裂。

3 加固目标与方法

3.1 加固目标

该匝道承载力能满足规范要求，所处环境类别为Ⅳ类，即受除冰盐等氯盐影响的环境。由于裂缝产生原因较多，桥梁运营环境及受力复杂，专家评审意见为，通过加固，尽量减小现状裂缝宽度，对剩余裂缝进行灌缝和封缝处理，使桥梁满足正常使用要求。具体的，在保证结构的压应力和主压应力满足规范要求的前提下，尽可能增加受拉区域的压应力储备，减小拉应力数值，从而减小裂缝宽度，以改善结构受力状态，恢复桥梁结构正常使用功能，增强其安全性和耐久性，以期满足规范B类预应力混凝土构件的设计要求，即裂缝宽度不大于0.10mm。

3.2 加固方法比选

梁桥常用的加固方法有：增大截面法、粘贴钢板或粘贴碳纤维法、改变结构体系法及施加体外预应力等方法。

增大截面法即通过增大混凝土构件的截面和配筋，以提高结构的抗弯、抗剪承载力和刚度，但该法会占用一定的桥下净空。粘贴钢板法是用环氧树脂系列黏接剂将钢板粘贴在构件受拉部位，使其与原构件形成整体共同工作，以提高结构承载力与刚度，限制裂缝进一步发展，但黏接剂的质量和耐久性是加固效果的控制因素。粘贴碳纤维法是利用黏接剂将碳纤维增强复合材料粘贴在构件表面，与混凝土协调变形共同受力，从而提高结构承载力与刚度，但黏接剂的性能是保证加固效果的关键。改变结构体系法即在梁下增设加劲梁、支架或桥墩，从而改变原桥上部结构体系来改善结构受力，提高承载力，但该法对桥下净空有较大的影响。施加体外预应力法是通过增设钢绞线等体外预应力索，对既有混凝土梁体主动施加外力，以改善原结构的受力状况。

现状结构承载能力满足规范要求，使用状态欠佳，且对桥下净空有较高的要求，综合考虑，选用体外预应力加固法最为直接、有效。

3.3 本桥加固方法介绍

该匝道采用箱内增设直线体外预应力钢束的方法进行加固，体外束一端为固定端，锚固在梁端新浇筑的锚块中，采用压花式锚具，以利于钢束分散锚固，另一端为张拉端，采用张拉端锚具，张拉后分别锚固在两道中横梁处。具体为：在距端横梁1.5m范围的箱室内部进行植筋，范围含端横梁内表面及箱梁顶、底板与腹板处，植筋采用直径32mm的HRB400钢筋，中心距20cm；端横梁植筋钻孔深度75cm，顶、底板及腹板植筋钻孔深度20cm，孔径均为4cm；采用C50微膨胀混凝土浇筑锚块，用于埋置体外预应力钢束的固定端锚具；中横梁对应位置进行钻孔以便钢束通过或张拉锚固。

由于箱内空间所限及考虑施工的可操作性，端横梁处理论植筋数量为59根，可提供的锚固承载力设计值为N=fyAs=15658kN。计入一定的安全系数后，体外束选用8根9Φs15.2环氧涂敷无粘接钢绞线，锚下张拉控制应力取1070MPa。钢束分上、下两层布置，每层各4根，如图5所示。钢束编号由字母和数字组成，同一编号钢束各有两根，T代表上层钢束，B代表下层钢束，其中T1、B1钢束在第一道中横梁右侧张拉锚固，T2、B2钢束通过第一道中横梁在第二道中横梁右侧张拉锚固，T3、B3钢束在第二道中横梁左侧张拉锚固，T4、B4钢束通过第二道中横梁在第一道中横梁左侧张拉锚固。限于篇幅，仅给出第一道中横梁左侧主梁钢束断面布置图，如图6所示。图7为钢束在中横梁处通过与锚固示意图。

施工注意事项：

(1)植筋钻孔时需了解原桥的钢筋构造，并用钢筋探测仪对孔位进行探测，如有冲突可适当调整孔位，不可损坏原桥钢筋，尤其不能损坏原桥的腹板预应力钢束。

(2)锚块浇注前需对箱内相应范围的混凝土表面进行凿毛，要求坑深5mm，坑与坑之间的净距10mm，锚块混凝土务必浇注密实，确保锚具可靠锚固。

(3)钢束在锚块端面出口处需采取可靠措施，防止钢束张拉时，端面混凝土撕脱。

(4)中横梁钻孔时须保证孔位准确及孔道的垂直度。

(5)钢束张拉及病害处治期间应进行交通管制，确保施工质量。

4 加固计算与效果

4.1 主梁受压计算

不考虑原桥钢束发生非常规的预应力损失，即认为现状裂缝由其他原因造成，增设体外束后，并计以下荷载与间接作用：主梁自重与桥面二期、混凝土收缩徐变、原桥预应力钢束、支点不均匀沉降、公路-Ⅰ级汽车荷载、均匀温度和梯度温度作用。使用阶段主梁正截面的法向压应力及斜截面的主压应力包络图如图8、图9所示。

由图8可知，作用标准组合下主梁正截面法向压应力最大值为14.1MPa，小于0.5fck=16.2MPa，满足规范要求。由图9可知，作用标准组合下主梁斜截面主压应力最大值为14.1MPa，小于0.6fck=19.4MPa，满足规范要求。

4.2 主梁加固效果

仅在体外束的作用下，主梁上、下缘的应力图如图10、图11所示。现状边跨3/4L处底板裂缝宽度最大，数值为0.19mm，依据混凝土裂缝宽度与混凝土名义拉应力的对应关系，该处混凝土的名义拉应力为6.2MPa。由图11可知，体外束在边跨3/4L处下缘引起2.0MPa的压应力，即新增体外束后，该处混凝土的名义拉应力降至4.2MPa，对应的裂缝宽度小于0.1mm。其他开裂截面的裂缝宽度皆小于0.19mm，即对应的混凝土名义拉应力不足6.2MPa，同时体外束引起的压应力不小于2.0MPa，故各截面对应的裂缝宽度皆小于0.1mm。增设体外束后，主梁满足规范B类预应力混凝土构件的设计要求。

5 结论与建议

体外预应力作为一种主动加固技术，适用性强，能够有效改善结构的应力状态，减小或闭合原有裂缝，提高结构的安全储备，并且不占用桥下净空。需要注意的是，应重视体外束锚固构造的设计，其直接影响加固体系的成败，合理选择锚固形式、充分考虑施工难易程度，并进行必要的验算，以保证其安全、可靠的工作。