体外预应力技术在连续刚构桥加固中的效果评价研究

邱 云

（佛山市公路桥梁工程监测站有限公司，广东 佛山 528041）

0 引言

文献表明，体外预应力技术在桥梁新建[1]和桥梁加固[2]中均有较广泛应用，尤其是由于早期设计计算模式考虑不全、预应力张拉时混凝土的养护龄期较短与施工质量控制不严等因素导致较多的大跨径连续梁桥和连续刚构桥出现了较严重的主梁裂缝和中跨跨中较大下挠的病害，为了增加中跨跨中截面的压应力储备和解决中跨跨中的长期趋势下挠，体外预应力技术在加固工程中应用广泛。已有的文献主要侧重于病害成因分析和加固措施的研究[3]，该文在已有研究的基础上，结合实际工程，从施工监控和荷载试验2个方面对体外预应力技术在连续刚构桥加固中的效果评价进行研究，为后续工程和研究提供参考。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

该文结合的实际工程是跨径组合为83 m+150 m+83 m的连续刚构桥，该桥平面位于直线上，基本成南北走向，上下行分幅设置，左右幅结构形式相同，纵断面示意图如图1所示。

图1 83 m+150 m+83 m连续刚构桥纵断面示意图（单位：cm）

该桥主梁横断面为单箱双室，箱梁节段顺桥向沿主跨跨中对称布置，单悬臂设有18个悬浇节段，节段长度有3m、3.5m、4m和5m，采用挂篮悬臂浇筑施工。主梁采用C50混凝土，为三向预应力设计。箱梁中心线与支座中心连线成90 °正交，箱梁顶面设2%横坡，箱底水平。箱梁梁高、底板厚度均按1.8次抛物线变化，箱梁横断面尺寸示意图如图2所示。

图2 83 m+150 m+83 m连续刚构桥主梁横断面尺寸示意图（单位：cm）

1.2 桥梁病害情况

该桥通车运营8年后，发现左右幅箱梁均集中在中跨跨中附近40m范围内的较多腹板主拉应力斜裂缝，顶底板也存在缝宽较小的纵向裂缝，同时中跨跨中与成桥时相比，左幅下挠95mm，右幅下挠91mm，且左幅与右幅的中跨线形已不平顺。

2 病害成因分析与加固措施

2.1 主要病害成因分析

2.1.1 主桥箱梁腹板斜向裂缝

腹板斜向裂缝主要分布于中跨的14 #～19#梁段，结合裂缝形态，主要原因是主拉应力超限，其成因分析见表1[4-7]。

表1 箱梁腹板主拉应力裂缝影响因素分析

2.1.2 主跨跨中下挠

经分析，该桥主跨跨中下挠的原因主要有以下5点：1）该桥建设时未针对大跨径预应力混凝土连续刚构桥的徐变变形问题进行专项解决。2）纵向预应力损失[8]，在仿真计算模型中，纵向预应力损失20%，可使跨中下挠59.1mm。3）箱梁存在裂缝[9]，主梁刚度降低，一定程度上使主梁产生下挠。4）该桥通车运营后，重型、超重型车辆较多，部分活载实际上变成了“恒载”，导致下挠增大。5）该桥在建设过程中，为缩短工期，混凝土龄期满5 d就进行了预应力束的张拉，相比规范规定的混凝土龄期满7 d张拉，预应力损失有一定程度的增加，而且徐变挠度也有一定程度的增大。

2.1.3 跨中下挠与结构内力、应力的关联性分析

考虑到该桥目前已经存在较为严重下挠，必然会对桥梁结构内力和截面应力造成一定影响，为了确定桥梁下挠对结构内力和应力的影响程度，主要对预应力和徐变这2个主要影响因素进行作用工况组合，采用有限元建模仿真分析，具体的分析结论见表2。

表2 跨中下挠主要影响因素作用下跨中下缘应力储备下降率分析

由表2可知，在跨中下挠主要影响因素的作用下，随着影响作用的增加，跨中下挠增大，中跨跨中截面下缘压应力储备也逐渐下降，单独的纵向预应力损失20%时，导致的中跨跨中截面下缘压应力储备下降达到53%。

2.2 加固措施

为调整主梁应力分布，改善结构受力和主梁线形，提高结构安全储备，该桥采用体外预应力技术进行了进行加固，体外预应力束在中跨跨中的横断面布置示意如图3所示，体外预应力的锚下张拉控制应力为0.6 fpk，其他相关技术参数见表3。同时还在中跨跨中50m范围内，在腹板内侧黏贴钢板进行加固补强；对全桥的裂缝进行封闭；对混凝土破损露筋等常规病害进行修补。

表3 体外预应力相关技术参数

图3 体外预应力束在中跨跨中的横断面布置示意图

3 施工监控分析

体外预应力技术在连续刚构桥加固中应用时，施工监控的重点在于监测体外预应力加固过程中所引发的结构变形、应力变化等力学指标，并与仿真计算结果相比较，严格控制其偏差，如偏差过大，应分析原因并采取相应措施。

3.1 仿真分析计算

应用商业通用软件MIDAS/Civil进行仿真计算，过渡墩支座采用竖向支撑模拟边界，主墩墩底采用固结，计算中不考虑承台及以下的桩-土作用。

施工阶段的模拟主要是体外预应力张拉过程的模拟，钢束相关特性值见表4。

表4 钢束相关特性值

3.2 挠度监控分析

在中跨的墩顶中心，L/4、L/2和L3/4（L为中跨跨径）断面的防撞墙根部布置挠度监测点。全部体外预应力束张拉完成后，中跨各监测断面挠度变化对比见图4。

由图4可知，左幅和右幅跨中实测竖向上挠分别为14.52mm和15.09mm，分别比理论值高1.52mm和2.09mm，总体上竖向上挠实测值与理论值比较接近，实测值比理论值大11%～16%，各监测断面的实测值与理论值也基本一致，主梁线形得到了适当改善。

图4 中跨各监测断面挠度变化实测值与理论值对比

3.3 应力监测分析

各体外预应力束全部张拉到位后，右幅各监测断面测点正应力增量实测值与理论值对比见图5，其中上测点布置在左、中、右腹板距离顶板梗腋偏下20cm，下测点布置在左、中、右腹板距离底板梗腋偏上60cm。

由图5可知，右幅应力增量实测值比理论值，上测点大0.03MPa～0.19MPa，下测点大0～0.27MPa。根据实测值推算，右幅截面上缘压应力增量为0.190MPa，下缘压应力增量为3.54MPa，箱梁应力分布得到了改善。左幅各监测断面测点正应力增量数据与右幅非常接近。

图5 右幅各监测断面测点正应力增量对比

3.4 梁端纵向位移监控分析

在主桥两端的伸缩缝处安装了百分表，测量体外索张拉过程中标距变化，各对体外索张拉到设计吨位后标距变化值均在0.31mm以内，各标距变化累计2.02mm。监测结果分析表明在体外索张拉过程中，墩顶纵向水平位移较小，小于理论计算值2.36mm，桥墩处于安全受力状态。

4 荷载试验评价

该桥在加固前和加固后，采用一致的测点和试验荷载效率，进行了荷载试验，结果见表5。

表5 加固前和加固后试验对比表

由表5可知，加固前和加固后，该桥都处于弹性工作状态，但施加体外预应力后，结构刚度变大，在相同荷载作用下，跨中挠度变小；同时由于在测试截面也有黏贴钢板进行加固，截面刚度变大，加固后的实测应变也略有变小。

5 结论

基于病害成因分析，对某连续刚构桥进行体外预应力加固，为评价加固效果，在加固过程中进行了施工监控，加固前后进行了荷载试验，结论如下。1） 施工监控结果表明，体外预应力加固完成，左幅和右幅跨中实测竖向上挠分别为14.52mm和15.09mm，分别比理论值高1.52mm和2.09mm；截面上缘压应力增量为0.190MPa，下缘压应力增量为3.54MPa；该桥的结构受力和主梁线形得到了改善，结构安全储备得到了提高，取得了设计的预期效果。2）加固前后的荷载试验结果对比表明，施加体外预应力后，结构刚度变大，在相同的车辆荷载作用下，跨中挠度变小。3）采用体外预应力加固，施工监控过程中的实时可视化展现，桥梁的线形与体外预应力束索力的长期监测对比还有待进一步研究。