既有PC桥梁上部结构加固方法分析

2021-09-23杨芬,张华

交通科技与管理 2021年25期

杨芬,张华

摘要：随着我国基建事业的迅速发展，我国桥梁建设技术已经名誉世界，高速公路的行车安全以及桥梁的正常使用，能够使我国经济平稳发展。我国桥梁建设中，最多的是混凝土桥梁。随着使用年限的增长，结构会出现损伤，影响通行能力甚至桥梁出现安全问题。针对该现象文章对桥梁加固进行了研究，主要内容有：对桥梁加固的方法进行了分析，通过实际工程分析了病害产生的原因，通过对桥梁建模分析体外预应力加固的效果。通过以上内容研究，结果表明：该加固方法可以提高桥梁上部结构的抗裂性能。

关键词：预应力混凝土;体外预应力加固;PC连续梁桥;桥梁加固

0 引言

我国对桥梁加固的分析研究起步较晚，研究初期，通过大量的试验和工程实践，积累了一些经验，使桥梁加固事业在我国开始取得成就。黄建锋[1]通过破坏试验证明：通过增大截面加固桥梁，能够提高结构自身的承载能力。王元栋[2]通过改进增大截面法来研究桥梁的受力状态，结果表明该方法可提高斜截面的抗剪强度。王文炜[3]通过分析表明：行车荷载下，通过碳纤维布对桥梁进行加固，可有效提高桥梁的抗弯承载能力。张延年[4]通过试验分析表明：粘贴碳纤维布可以提高桥梁的抗弯能力，以及屈服后梁的刚度。通过以上学者研究，桥梁加固项目取得了一定的成绩，但该课题的研究还有一定空间，因此文章具有一定的意义。

1 桥梁加固方法

1.1 混凝土加固方法

混凝土主要病害表现为裂缝，针对该病害文章采取加固方式如下：

（1）当裂缝宽度小于0.15 mm时，理论上认定裂缝是可以自愈合的，该裂缝不影响结构的正常使用，不需要采取加固措施只需做好混凝土的养护管理即可。该病害为一级病害。

（2）当裂缝宽度为0.15 mm～0.2 mm时，利用水泥砂浆进行裂缝修补，此时裂缝宽度不会造成结构性能发生变化，此时将病害认定为二级病害。

（3）当裂缝宽度为0.2 mm～0.3 mm，裂缝位于结构受力的位置上，该裂缝会造成承载能力降低，影响结构的耐久性和使用性。补救方式可采用水泥浆或纤维玻璃布。该裂缝认定为三级病害。

（4）当裂缝宽度大于0.3 mm，且裂缝位于结构受力位置上时，导致承载力降低，钢筋外露产生锈蚀。此时必须对结构进行浇筑混凝土的方法加固补强。此时裂缝认定为四级病害。

1.2 钢筋加固方法

钢筋是否进行加固是由锈蚀后的承载能力确定的，而钢筋的承载能力是屈服强度决定的。本文中钢筋的屈服强度可由以下公式确定[5]。

fys=（1-1.077ηs）·fy/（1-ηs）

fuc=（1-1.077ηs）·fu/（1-ηs）

fys表示腐蚀后钢筋的屈服强度;fuc表示腐蚀后钢筋的极限强度;ηs表示钢筋的截面损失率;fy表示钢筋在没受到腐蚀时的屈服强度;fu表示钢筋在没受到腐蚀时的极限强度。当ηs>0.15时，按热轧钢筋处理。

通过以上公式判定锈蚀的钢筋承载力是否满足要求，如不满足要求需对钢筋进行加固处理，其加固方法有：补焊钢筋，粘贴钢板，体外预应力加固等[6]。

2 案例分析

2.1 工程概况

文章所依托工程为某地区一座PC连续梁桥，该桥的跨径形式主要是（62+100+62）m对称分布形式，桥梁长度为224 m。上部结构梁体采用形式为变截面连续梁，桥面线型为双向纵坡，桥梁竖曲线的半径设置为9 000 m，支座采用的主要形式为盆式支座。桥梁下部结构采用钻孔灌注桩，成梅花形布置。边跨的过渡墩为双柱式，墩顶布置盖梁，基础形式采用钻孔灌注桩，布置形式为双排6根。通过对桥梁进行分析表明：桥梁的整体刚度满足设计要求，后期进行桥梁加固时，对桥梁验算可通过最大冲击系数进行。桥梁的预应力损失较为严重，且超重车队通过桥面时，会使桥梁的安全状态受到影响。

2.2 病害原因分析

通过对原桥进行实地调查发现该桥梁存在较多裂缝，主要分布位置为桥梁腹板，且内侧裂缝数量大于外侧，主要分布于支点附近以及跨中位置，底板跨中位置横向裂缝较多，顶板合拢位置纵缝较多，通过对裂缝病害分析可知，产生原因有以下几点：

2.2.1 预应力损失较大

通过分析研究表明：导致桥梁竖向预应力损失的主要原因是预应力钢筋的长度较短，钢筋產生回缩与锚夹具安装时的误差有直接关系;桥梁的施工质量同样对竖向预应力有很大影响。案例桥梁采用的预应力钢筋为高强螺纹钢筋，该钢筋的预应力达不到设计要求，导致腹板产生斜裂缝。

2.2.2 弯矩较大

由于桥梁跨中位置承受弯矩较大，导致钢筋产生较大的预应力损失，因此在桥跨底板产生较多的横向裂缝。桥梁在使用过程中底板承受的拉应力较大，当该应力超过极限值时混凝土发生开裂。

2.2.3 温度梯度影响

桥梁在进行结构分析时，忽略了温度梯度带来的横向效应。桥梁的箱梁结构自身较大，在高度上存在不均匀温差，顶板在温度效应作用下产生的横向拉应力被忽略。箱梁顶板沿桥方向上存在压应力，因此会产生横向拉应变，导致桥梁跨中合拢段产生纵向裂缝。

2.3 箱梁顶板分析

2.3.1 模型建立

文章通过有限元软件ANSYS对箱梁顶板进行模型建立，模型建立过程中忽略桥面铺装和箱梁之间的联合作用。solid6单元为八节点单元，该单元是针对钢筋混凝土设计。该单元的破坏准则能够有效对混凝土开裂进行模拟，因此文章使用该单元对箱梁顶板进行模拟;solid45单元为八节点单元，主要对箱梁的腹板和底板进行模拟;link10单元对钢绞线进行模拟，桥梁模型采用的约束为横向简支约束，设置于箱梁底板的两侧位置。箱梁顶板如图1所示。

2.3.2 顶板分析

本节对桥梁顶板进行受力分析时，主要考虑因素有：箱梁顶板自重、温度梯度、预应力效应、桥面铺装、汽车荷载。通过对桥梁顶板的分析结果可知：桥梁顶板产生纵向裂缝，该病害发生的主要原因是温度梯度和超载车辆二者共同作用发生的，同时也说明超载车辆是使桥梁产生病害的主要原因之一。因此在桥梁的建设和运行过程中应对桥梁加强管理，使桥梁结构具有一定的安全性。

3 体外预应力加固

3.1 加固方案

文章所采用的体外预应力加固方案主要目标是使桥梁的正常使用功能得到恢复，使结构具有较好的安全性，使桥梁的使用年限增长。在进行体外预应力加固时，控制截面选取病害多发的位置，该方法具有一定的代表性。该方法主要是使桥梁加固后能够正常运营。桥梁的跨中段、边跨合龙段的箱梁顶板有较多的纵缝，为保证桥梁能够达到正常使用状态，文章对该裂缝进行了黏贴碳纤维布处理，防止裂缝继续发展。该桥梁进行体外预应力钢筋布置时，布置方式如图2所示。

3.2 加固效果分析

通过对桥梁的现状调查和桥梁汽车荷载试验，表明桥梁具有足够的承载能力，桥梁在正常使用过程中的抗裂验算不符合设计要求，因此文章本节通过对桥梁进行体外预应力加固来进行抗裂性能的分析，同时对加固后的混凝土进行压应力验算。

3.2.1 结构抗裂验算

通过对加固效果进行分析可知：通过体外预应力加固后，桥梁主梁边跨、中跨跨中的抗裂性能有明显当的提高。图2所示的预应力钢筋布置形式可以有效解决桥梁预应力不足的病害。

文章对箱梁的底板下缘、跨中底板、箱梁顶板上缘等位置进行了抗裂验算，其结果说明：文章采取的体外预应力加固可以使桥梁的正截面抗裂性能有所提高，进行加固后桥梁抗裂验算满足设计要求。通过对箱梁的斜截面进行抗裂验算可知该性能同样能满足设计要求。

3.2.2 混凝土抗压验算

文章通过对主梁压应力进行计算可知：该加固方法有效增大正截面混凝土的压应力，但增大的数值较小，同时满足规定要求。通过对桥梁的抗压性能进行验算可知，体外预应力加固技术可提高桥梁抗裂性能。

4 结语

本文通过对PC梁桥体外预应力加固进行分析得出以下结论：

（1）混凝土存在病害主要为裂缝，其加固方式为浇筑混凝土;钢筋的加固方式为补焊钢筋，粘贴钢板，体外预应力加固。

（2）通过对案例进行分析可知：桥梁产生病害的主要原因有：预应力损失较大、温度梯度影响、应力计算错误。通过对现状桥梁进行分析可知桥梁存在预应力损失，且桥梁有重载车辆行驶，但桥梁的安全性能有所保障，当超重车队通过桥面时，会使桥梁的安全状态受到影响。

（3）文章对桥梁进行体外预应力加固，通过对结构抗裂性能、混凝土抗压性能进行验算可知，该加固方法可提高桥梁的抗弯抗裂性能，增加桥梁的使用年限。