大跨度混凝土连续梁桥长期下挠加固方案研究

刘鲜庆，周晓宇，贾晓明

［1.上海市城市建设研究总院（集团）有限公司，上海市200125；2.靖边县市政设施管护中心，陕西 靖边718500］

0 引 言

预应力混凝土连续梁桥结构刚度大，变形小，行车平顺，经济性好，在我国始建于20世纪60年代。20世纪末开始，大跨径混凝土连续梁桥在我国公路、城市建设中得到大量运用。近年来，大跨度连续梁桥的病害逐渐暴露出来，其中跨的长期下挠是比较典型的病害之一。

大跨度预应力混凝土桥梁经过5~10 a的运营，由徐变引起的下挠一般趋于稳定。但若建成后桥梁跨中下挠长期增长，使其长期挠度远大于设计计算的预计值，将影响行车舒适性及安全性，且持续下挠会伴随混凝土开裂，降低结构刚度，从而加速下挠[1]。

1 工程概况

某城市轨道交通桥梁采用预应力混凝土连续梁桥，跨径布置为75.5 m+129.0 m+75.5 m，与高速公路斜交约46°。桥梁上部结构纵向采用变高度：中支点梁高8.0 m、边支点梁高4.0 m、跨中梁高4.0 m，梁底按1.8次抛物线线型变化。箱梁采用单箱单室直腹板形式，箱梁顶宽9.5 m，底宽5.4 m，悬臂板长度2.05 m。

桥梁上部结构采用转体施工工法，中支点上长127 m箱梁沿桥下高速采用满堂支架施工；拆除支架后，悬臂端下挠约90 mm，与设计不符，转体合拢后在墩顶加索，上抬约32 mm。

2 监测情况及下挠原因分析

成桥后对桥梁道床标高情况进行观测记录，图1为桥梁中跨跨中挠度曲线。由图1可见，桥梁中跨跨中挠度总体呈现逐年增大趋势。根据检测单位数据，桥梁中跨下挠最大为2020年12月，数值为66 mm，远大于最初的设计值，但未观测到裂缝。

图1 成桥后中跨跨中挠度变化

根据施工过程以及后续运营各阶段的情况，从预应力损失和混凝土的收缩徐变特性上进行参数化的模拟计算分析。通过调整T构状态下的预应力损失及混凝土的收缩徐变系数，模拟与实测值吻合的成桥后中跨跨中挠度曲线，并预测20 a后该挠度将达到约80 mm，如图2所示。

此外，支座摩阻力使桥梁中跨跨中挠度随温度起伏而变化的数值约为5 mm；在运营5 a后，支座摩阻力增大，使桥梁中跨跨中挠度在冬夏季的变化达10 mm。

2019年8月对该桥梁进行了静载试验。在2列列车加载的静载工况下，控制截面实测挠度和应变均小于理论计算值；实测挠度校验系数为0.72，应变校验系数为0.32~0.82，相对残余均小于20%。说明在整个加载过程中，结构均处于弹性工作阶段，各控制截面在试验荷载作用下受力正常。试验前后及过程中分别对支座、箱梁以及墩柱等构件进行了外观跟踪检查，均未监测到有裂缝出现或开展。

模拟计算数据及静载试验数据表明，该桥梁结构目前是安全的，中跨下挠主要由徐变引起。施工过程中T构状态下预应力不足，造成过大的初始挠度；采用的混凝土收缩徐变系数较大，在使用过程中使挠度迅速发展，而支座摩阻力增大又使挠度随温度起伏的变化幅度增加[2]。

为控制桥梁中跨跨中挠度继续增大，将对原结构实施加固方案。

3 体外预应力加固方案

如图3所示，在箱室内设置体外预应力钢束，利用中跨跨中隔板为转向块，两侧锚固在中墩横梁处。钢束规格为19-φs15.2，共8束，张拉控制应力取0.65 fpk（fpk为预应力钢绞线抗拉强度标准值），张拉力合计约2 500 t。对中墩横梁进行局部加强，张拉侧加厚1 m，背侧加厚0.4 m，锚固侧箱室内顶板腹板均用钢板加强，如图4所示。

图3 体外预应力加固立面示意（单位：mm）

图4中支横梁加强示意（单位：mm）

图5 为仅在体外索荷载作用下的结构应力图。由图5可见：梁截面上缘受压，跨中压应力为-1.0 MPa，中支点压应力为-1.4 MPa；梁截面下缘跨中受压，产生的压应力为-6.1 MPa，中支点下缘受拉，拉应力为0.4 MPa，能够较好地改善结构的受力情况。

图5体外索作用下结构应力图（单位：MP a）

图6 为在体外索荷载作用下，中跨跨中挠度随时间的变化曲线。由图6可见：中跨跨中发生向上的瞬时位移，约为26 mm；经过20 a长期发展后，与未实施加固相比，中跨跨中挠度改善可达32 mm，较好地改善了原结构的挠度。

图6 体外索作用下中跨跨中挠度变化趋势

由于张拉力较大，采用局部实体模型分析体外索张拉力作用下的中横梁局部应力状态。

建立中支点位置长12 m梁段实体模型，如图7所示。约束支点位置单元节点平动自由度近似节段梁边界条件，两端断面位置内力边界通过Midas杆系模型提取施加。

图7 中支点实体模型

中横梁张拉侧主要受压，图8为张拉力与两端实际内力状态组合作用下的中横梁张拉侧应力云图（显示截面以混凝土受拉为正）。由图8可见，在体外索张拉力和梁体实际内力组合下，横隔板张拉侧受压，横桥向应力最大压应力为5.0 MPa，大部分区域压应力约为2.0 MPa，竖向最大压应力约为4 MPa，在张拉点附近取得；竖向局部区域受拉，平均应力约为0.5 MPa，深度约为0.4 m，受拉区钢筋为φ16@100，设2层，钢筋应力为55 MPa。

图8 中横梁张拉侧应力云图（单位：MP a）

中横梁张拉背侧主要受横向拉力。图9为中横梁张拉力和梁段端部实际内力边界条件下，张拉背侧横桥向应力云图。由图9可见，中横梁张拉背侧整体受拉，最大拉应力约为2.0 MPa，深度约为0.4 m，大部分范围拉应力为0.8~1.0 M Pa；背侧钢筋直径为16 mm，间距100 mm，最大钢筋应力为99 MPa。

图9中横梁张拉背侧应力云图（单位：MP a）

图10 为中横梁张拉侧顶板、腹板顺桥向应力云图。由图10可见，在张拉力作用下，中横梁与顶板连接位置存在约1.5 m（横桥向）×0.4 m（顺桥向）的拉应力区，拉应力深度约为50~300 mm，拉应力水平约为1.8~3.6 MPa；采用厚5 mm Q345B钢板加强，顺桥向加强长度为4 m，钢板应力约为162 MPa。对于腹板，在张拉力作用下，中横梁与腹板连接位置存在约4 m（竖向）×1.0 m（顺桥向）的拉应力区，拉应力深度约为400 mm，拉应力水平约为0.8~2.0 MPa；腹板全高采用粘贴厚5 mm Q345B钢板加强，顺桥向加强长度为4 m，钢板应力约为112 MPa。

图10 中横梁张拉侧顶板、腹板顺桥向应力云图（单位：MP a）

根据计算结果，该方案能瞬时减小中跨跨中挠度约26 mm。发展20 a后，与未加固比较，该挠度减小约32 mm；加固的张拉力对原结构中横梁处顶板、腹板将产生一定不利影响，采取外贴钢板加固的方式，可将不利影响控制在规范允许范围内。

4 外结构加固

从实际工程经验来看，体外索加固的效果往往并不理想[3]。因此提出新建外结构的加固方案，并与箱室内体外索方案进行比较。

本工程中，加固的主要目的是控制中跨跨中的继续下挠，因此考虑在跨中施加一个弹性约束，来达到这一效果。

图11为在中跨跨中施加竖直向上的荷载（1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN）后，跨中挠度的变化情况。由图11可知：在1 000 kN竖向力作用下，跨中瞬时挠度可减小18 mm；经过20 a长期发展后，与未施加向上荷载时相比，跨中挠度可减小约30 mm。

图11 竖向力作用下的跨中挠度变化曲线

同时，在1 000 kN竖向力作用下，跨中下缘压应力增加约1.6 MPa，支点上缘拉应力减小约0.3 MPa，能略微改善结构的受力状态；中支点反力减小约660 kN，边支点反力增大约180 kN，有利于利用中墩基础新建外结构。

4.1 拱架加固方案

如图12所示，在原结构中跨新建简支系杆拱架，支撑在中墩承台上，拱架跨中设横梁；在连续梁底吊杆与横梁连接，张拉后托住原连续梁。

图12 拱架加固方案平面立面

拱架采用钢结构，矢高25 m，拱肋尺寸为2 m×1.7 m，系梁为1 m×1 m，2片拱肋间设置5道X型风撑，吊杆采用12-φs15.2钢绞线；跨中横梁高1 m，于连续梁底板间设置垫块，横向侧设挡块，4个吊点张拉力合计1 000 kN。

该方案中墩基础增加荷载约4 970 kN，由于基础采用24根φ1.2 m钻孔桩，单桩承载力设计值约6 500 kN，每根桩增加竖向力207 kN；边墩基础增加荷载160 kN，每根桩基增加约13 kN，对桩基的安全性基本无影响。

图13为在100 t荷载作用下的拱架挠度值。此时拱架挠度为17 mm，拱架刚度为58 823 kN/m；而主梁刚度为55 555 kN/m，略小于拱架刚度，因此新建拱架能有效控制原连续梁的徐变下挠。

图13拱架加固方案下的拱架挠度（单位：mm）

图14 为在恒载作用下的拱架应力情况。由图14可见，拱架最大应力为141 MPa，因此拱架结构满足强度要求。

图14 拱架加固方案下的拱架应力（单位：MP a）

4.2 斜拉加固方案

如图15所示，利用中墩承台新建桥塔，边墩位置新建地锚，中跨跨中设横梁；在连续梁梁底设1对通长拉索，通过塔顶、跨中横梁的转向装置锚固在地锚处，张拉后在跨中托住原连续梁。

图15 斜拉加固方案下的拱架应力（单位：MP a）

利用中墩承台新建桥塔，桥塔截面尺寸为2 m×1.7 m，桥面以上高25 m，下部采用钢筋混凝土结构，并与主桥主墩相连；桥塔上部采用钢结构，减轻重量；拉索采用12-φs15.2钢绞线，拉索力为600 kN；跨中横梁高1 m，于连续梁底板间设置垫块，横向侧设挡块。

图16为地锚平面图。地锚基础与原桥梁基础完全分离，地锚承台高2 m，设置16根φ800 mm钻孔灌注桩，桩长50 m；承台前侧设置钢筋混凝土挡土墙，墙厚0.8 m，埋深6 m。根据勘察资料复核，地锚基础能承担约6 000 kN水平荷载，对应于跨中提供的竖向力为5 400 kN，不仅可满足加固的要求，还能预留索力调节空间。

图16 地锚平面（单位：mm）

该方案中墩基础增加荷载约2 988 kN，每根桩增加竖向力125 kN，边墩基础增加荷载160 kN，每根桩基增加约13 kN，对桩基的安全性基本无影响。

5 结语

（1）箱室内加体外索不改变结构外观，可适当控制中跨跨中挠度，减小中跨跨中挠度约26 mm。但由于张拉力较大，对结构本身将产生一定不利影响，需采取局部加强措施；此外，由于荷载试验中实测桥梁的刚度大于计算值，以及预应力钢束的松弛效应，实际应用中对中跨跨中挠度的改善效果将小于理论计算值，且箱室内空间已全部占用，无法预留再次加固的条件。

（2）新建外结构的加固方案受力明确，对原结构影响小，能够有效地改善中跨跨中挠度，并且可以通过调整索力来动态控制该挠度发展。但是，由于外结构新建的施工难度较大，尤其是在中跨跨越河流或者高速公路时，且费用较高；此外，该方案将较大地改变原结构外观，带来一定的社会影响。

（3）2种加固方案各有利弊，实际应用中需综合考虑。在原结构不存在承载力不足的安全问题，仅需对由徐变引起的挠度稍加控制的情况下，可采用箱室内体外预应力方案；当原结构已存在结构安全问题，继续下挠将带来严重事故的情况下，宜采用外结构加固方案。