体外预应力技术在桥梁加固施工中的应用

闫章明

摘 要：经过几十年的实践和研究，桥梁加固技术体系已较为成熟。体外预应力加固法作为一种施工工期短、效率高、施工方便的桥梁加固技术，因其独特的优势在桥梁工程施工中得到了广泛应用与推广。本文结合具体案例，分析了桥梁病害原因，并通过对比多种加固方法，择优选用了体外预应力加固法，并对其施工应用要点和加固效果进行了评价与分析，以期全面提升桥梁加固质量。

关键词：体外预应力技术;桥梁加固;应用要点

改革开放40多年来，我国经济迅速腾飞，路桥事业得到了长足发展，并取得了令人瞩目的成绩，是见证中国速度的一抹重彩。然而，在路桥工程建设数量不断增加的同时，大量早期修筑的桥梁工程因运营使用时间长，出现了大量病害。据不完全统计，我国现有路桥工程超过30%使用年限已达到30年，存在安全隐患的三、四类桥梁所占比例高达40%，危桥数量超过几十万座。若全部拆除重建是不切合实际的。因此，解决此类问题关键在于加固与维修改造。常见桥梁加固方法包括体外预应力法、粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维片材加固法等。本文以体外预应力加固技術为研究对象，将其用于桥梁结构加固，可以改善混凝土的应力状态，提升桥梁承载力，达到抗裂理想效果。

1 工程概况

某桥梁工程全长224m，桥跨径组成为62+100+62m，变截面连续梁为桥梁上部结构，双向纵坡为桥面线型，9000m为竖曲线半径，设2%横坡，采用盆式支座。下部结构采用实体板式墩为主跨桥墩，基础为钻孔灌注桩，布设形式为梅花形，共8根。并以双柱式墩为边跨过渡墩，将盖梁设于墩顶。建成通行运营三年后，定期检查中发现，桥梁体有严重裂缝问题，经综合评价，桥梁体下挠严重，大量裂缝存于顶底板、腹板、横隔板处。裂缝统计情况如表1所示。为保证桥梁运行安全，决定在全面了解病害原因的基础上，采取切实可行的措施进行桥梁加固处理，希望以此提高桥梁的承载力，确保桥梁施工质量，延长工程使用寿命。

2 桥梁病害原因分析

通过现场调查发现，本桥梁最大问题在于裂缝，其中大量斜裂缝和竖向裂缝存于桥腹板位置，且箱梁内侧腹板裂缝明显多于外侧，多在支点与跨中周围集中分布。底板裂缝多为横向裂缝，集中在跨中周围分布。而箱梁顶板裂缝主要为纵向裂缝，集中在合龙段附近分布。根据桥梁运营实际情况，结合裂缝分布位置，可将裂缝产生原因归结为以下几点，具体如下：

2.1 桥梁竖向预应力损失过大

据大量研究发现，竖向预应力损失的主要原因在于竖向预应力筋长度短，钢筋回缩引起预应力损失。或钢筋回缩和锚具安装不正确，或螺母未拧紧等，上述因素均会影响竖向有效预应力。根据桥梁实际情况，主要选择Φ32mm高强精轧螺纹粗钢筋进行竖向预应力施加，其有效预应力远没有设计值高，因此会引发腹板斜裂缝。

2.2 桥梁纵向预应力损失过大

本桥梁有大量横向裂缝存于跨中底板部位，究其原因在于桥梁纵向预应力存在较大损失，且跨中截面下缘的压应力储备不够，在通车运行过程中，将有很大拉应力出现于底板下缘处，此时混凝土拉应变将远大于限定值，逐步产生开裂现象，并进一步发展。

2.3 桥梁病害相互耦合作用加剧病害发展

随着桥梁裂缝的进一步发展，加剧了主梁跨中下挠问题，此外，基于主梁下挠情况，同样又作用于梁体，促使梁体开裂，在桥梁病害的相互耦合作用下，主梁跨中挠度持续加大，病害愈发严重。

2.4 桥梁运营管理不合理，超载重载现象严重

据桥梁运营管理现状可知，本桥梁段存在严重的超载重载问题，相比设计汽车荷载，运营荷载过大，从而严重损坏桥梁，甚至出现局部截面应力超限问题，这也是导致桥梁开裂的主要因素。

3 桥梁加固方案选择

目前，常见的桥梁加固方法包括增大截面加固法，粘贴钢板加固法、体外预应力加固法等，各个加固法的具体情况如下：

3.1 增大截面加固法

在钢筋混凝土与预应力混凝土受弯构件、钢筋混凝土受压构件等方面可采用增大截面加固法。通过构件截面增大的方式可以进一步提升桥梁结构的刚度，在荷载作用下，能够有效改进结构受力状态。加厚桥面板、锚喷混凝土等均属于增大截面加固法。

3.2 粘贴钢板加固法

在钢筋混凝土受弯、受剪、受拉等构件中可采用粘贴钢板加固法。其加固原理是指在被加固构件表面粘贴钢板，钢板和混凝土可构建成一个整体，同时受力，并能约束混凝土变形，提升桥梁结构刚度和抗裂能力。此外，应力集中问题不易出现在混凝土内。相比其他加固方法，粘贴钢板加固方法施工简单，且能确保桥梁净空高度。在此方法存在一定局限性，对温度较为敏感。一旦温度超过60℃，将会大幅降低材料强度，同时，此方法属于被动加固法，对结构加固前的应力状态无法做出任何改变。

3.3 体外预应力加固法

作为一种主动加固法，体外预应力加固法是指对混凝土梁体增设体外素，以此达到提高结构刚度，改善受力状态的一种加固方法。体外索、锚固系统、转向块等为体外预应力加固方法的主要构成部件，多用于钢筋混凝土梁桥，或预应力混凝土梁桥。相比其他加固方法，此方法便于施工控制，不易损伤结构、施工工期短，具有良好的社会效益和经济效益。

基于本桥梁病害实际情况，结合上述三种加固方法特点分析，在恒载作用下，增大截面加固法和粘贴钢板加固法均无法改变原结构受力状况，为改善桥梁使用性能，最终决定采用主动加固方法的体外预应力加固技术，并辅助其他加固方法。

4 体外预应力技术应用要点

改善桥梁使用性能是体外预应力加固的目的，在加固施工中，设计控制截面选择桥梁病害多发截面，避免因体外预应力增设而出现局部截面压应力太大问题。为保证桥梁加固后能够正常通车运营，需先处理裂缝，针对0.15mm以内宽度的裂缝，则采用封闭处理;0.15mm以上宽度的裂缝，则采用灌浆处理。

基于桥梁现场调查可知，大量纵向裂缝存于桥跨中合龙段和边跨合拢段周围箱梁顶板处，为保证加固施工后桥梁能够正常使用，可将碳纤维布粘贴于顶板裂缝部位，进一步防止裂缝扩展。同时将钢板黏贴到腹板裂缝处。针对桥面铺装层厚度保持原厚度不变，避免铺装层厚度降低，出现箱梁竖向温度梯度变大现象，或影响箱梁顶板受力。

根据桥梁实际情况，并结合体外预应力筋估算面积，决定采用4束环氧涂层钢绞线成品索加固梁体，成品索的特点为便于调节张拉力、易于更换索体等，并具有良好的防腐性能。按照全跨通长安设体外索，以折线型为线形类型，通过对称张拉方法进行体外预应力

施加。

由于裂缝集中存在于边跨合龙段和中跨跨中顶底板部位，为此，在距支点0.53L处安设边跨转向装置，并在距支点0.3L处安设中跨转向装置。采用竖向转向肋为转向装置，以整束式转向器为准，为达到防震限位效果，可将橡胶圈垫在转向器和体外束之间，间隔10m距离，安设一个定位装置，防止索体自振频率接近整个梁体自振频率，由于共振作用将会危害结构安全。

5 加固效果评价分析

为验证体外预应力加固后桥梁承载能力情况，本文分析了加固后桥梁结构的抗裂性能，并验算了加固后结构混凝土的压应力，以此评价加固效果。

本次验算分析以边跨3#节段截面为例，其截面验算值为0.20MPa，相比规范限值1.06MPa，可满足规范要求。由此可见，体外预应力加固施工后，可以有效提升桥梁结构截面的抗裂性能，加固后结构抗裂能力可达到规范要求。

为避免增设体外预应力后，桥梁结构压应力过大，需验算主梁截面压应力，本文以边跨12#节段截面为例，表2为加固后结构正截面混凝土抗压验算情况。

由表2可知，相比混凝土压应力限值16.2MPa，加固后结构正截面混凝土抗压验算值均在限值以内，说明体外预应力加固施工后，可進一步改善桥梁整体受力情况，全面提升结构抗裂能力，具有良好的加固效果。

6 结束语

综上所述，随着社会经济的迅速发展，为满足日益增长的交通运输需求，我国公路总里程不断增长，公路交通运输网络基本完善。桥梁作为道路工程的重要组成部分，是连接两地的交通纽带。在行车荷载和自然因素长期作用下，很多桥梁工程都面临着承载能力不足等问题，为恢复桥梁工程使用性能，保证桥梁结构健康，必须采取一定措施加固处理，全面提升桥梁承载能力。本文提出了体外预应力加固技术，相比其他加固技术，该加固技术较为成熟，施工工期较短，且对结构外观无影响，具有良好的经济效益和社会效益。

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