公路桥梁预应力加固设计研究

2022-12-12李学丰

交通世界 2022年28期

李学丰

（中建路桥集团有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

随着公路桥梁服役时间的延长，受桥梁交通量不断增长的影响，桥梁结构安全性能有所下降，亟须采取桥梁加固技术措施，恢复原桥梁设计的技术指标。在桥梁加固设计中，需要针对桥梁不同部位出现的病害采用多种加固方法，寻求最佳的加固设计方案。本文重点针对主梁和横隔梁加固部位，分析预应力钢丝绳加固设计和加大截面加固设计方法。

1 工程概况

某公路桥梁工程为钢筋混凝土简支T梁桥，跨径为20m，上部结构T梁共5片，翼板宽为1.6m，腹板宽为0.18m，受压钢筋为HRB400钢筋和HRB335钢筋，HRB400钢筋直径为22mm，共2根。HRB335钢筋直径为28mm，共10根。箍筋采用R235钢筋，直径为8mm，箍筋间距为14cm，在桥梁的端部使用四肢箍筋，跨中使用双肢箍筋。桥梁工程在多年使用后出现病害，需进行加固改造，以保证桥梁结构安全性。本工程加固设计方案为：主梁采用预应力钢丝绳外包聚合物砂浆加固设计；横隔梁采用加大截面加固设计；翼板接缝采用现浇混凝土湿接缝处理方法。

2 公路桥梁预应力加固设计

2.1 高强预应力钢丝绳加固设计

2.1.1 原主梁加固设计计算

（1）根据预应力钢丝绳标准强度、张拉控制应力计算预应力损失，体外预应力筋因转向和锚固摩擦产生的预应力为23.33MPa[1]；因锚具变形、接缝引起的腹板和底板预应力损失分别为42.026MPa、40.625MPa；因钢筋松弛引起的腹板、底板预应力损失分别为81.60MPa、81.85MPa。

（2）计算有效预应力，扣除上述预应力损失，计算值为852.794MPa；预应力度取值0.35，预应力钢丝绳的总预拉力为506.16kN，钢丝绳截面积为593.53m2，计算得出钢丝绳根数为48根。

（3）在加固设计中，计算梁跨中正截面极限抗弯承载力值，为2 840.32kN·m，满足加固设计规范要求；计算斜截面极限抗弯承载力，计算结果为685.27kN，满足加固设计规范要求。

2.1.2 预应力布置形式

在腹板设置12根高强预应力钢丝绳，采用两段张拉设计，在原T梁上固定锚块和转向块，用高强螺栓固定，张拉后将聚合物砂浆包裹到预应力钢丝绳外部[2]；底板分两层各设置48根高强预应力钢丝绳，采用单端张拉设计，一端为P锚，另一端为张拉端。

2.1.3 端部锚具设计

根据钢丝绳所受拉力设计张拉端部锚具尺寸，在不考虑钢丝绳孔道净截面积的基础上，保证锚具尺寸达到钢丝绳拉力要求；根据加固设计中预应力钢丝绳根数确定锚具截面尺寸；腹板锚具尺寸与底板张拉端的锚块构造形式相同[3]。

2.1.4 预应力加固有限元分析

（1）采用ANSYS有限元分析软件对预应力混凝土结构建模，假定钢筋混凝土符合平截面要求、不考虑钢筋受剪作用、钢筋混凝土无相对移动、新旧混凝土黏结面牢固；根据理想弹塑性确定钢筋极限拉应变值，取值为0.01。

（2）采用ANSYS模拟预应力索，模拟方法为等效荷载法，不用考虑预应力筋位置分布情况，建模步骤为：利用ANSYS完成混凝土建模、体外预应力筋建模，分别划分有限元网格；选取模型中预应力筋的端点和转折点，将其与混凝土单元节点耦合；对节点施加预应力荷载，程序自动计入混凝土结构与预应力钢筋的相互作用力[4]。

（3）本工程的整桥有限元计算结果为：C30、C50混凝土弹性模量分别取值3.0×104、3.45×104，共划分为114 000个单元映射网格；加固前，桥梁最大挠度为19.292mm，处于桥梁跨中处。加固后桥梁形成反拱，最大挠度为4.979mm，处于主梁跨中处。可见，主梁加固效果明显；在加固前，纵桥向最大压应力和最大拉应力分别为8.478MPa、13.571MPa，大于C30混凝土极限拉应力，易出现桥梁结构破坏。在加固后，纵桥向全截面都在受力状态，最大拉应力降至1.572MPa，在C30混凝土的抗拉应力允许值范围内。

（4）本工程加固锚具的有限元计算结果为：腹板锚具在预应力荷载作用下的最大主应力为106.451MPa，最大变形为0.012mm，小于Q235钢材屈服强度值；底板端锚最大主应力为141MPa，最大变形小于0.1mm，小于Q235钢材屈服强度值。可见，锚具的锚固效果明显。

2.2 增大截面法加固设计

2.2.1 加固设计要点

（1）根据加固构件的尺寸、受力特点、加固目的等因素，确定截面增大加固形式，包括单层加固设计、双侧加固设计、三侧加固设计、四周外包加固设计；根据钢筋间距、保护层的构造特点，确定截面增大的尺寸[5]。

（2）增大截面加固采用强度不小于C20的普通混凝土，本工程采用钢筋纤维混凝土加固设计，配备钢筋、型钢和钢板等钢材。

（3）新浇混凝土厚度设计值不小于4cm，喷射混凝土厚度设计值不小于5cm；混凝土材料选用坚硬碎石，最大粒径不得超过2cm。

（4）纵向受力钢筋、封闭式箍筋直径分别不小于12mm、8mm，根据原有钢筋直径确定U型钢筋直径。

（5）在加固设计中，原构件受力钢筋与加固钢筋的净距离控制在2cm以内，用焊接方式连接短筋，使加固后的构件与原构件共同受力[6]；采用短筋焊接加固受力筋时，短筋直径不小于2cm，中距控制在50cm以内。

（6）在混凝土围套加固中设计封闭箍筋，采用U形箍筋，将其焊接到原箍筋上，双面焊缝面积为箍筋直径的5倍。

2.2.2 加固设计理论

（1）加固后的横隔梁截面为组合截面，与原横隔梁结构相比存在一定差异。在加固结构受力中，剪力和拉力是主要受力形式，通过新旧混凝土的黏结强度承担受力，使得黏结面成为加固结构的薄弱环节[7]。在设计中，需布设锚固件，将新旧结构连接起来，保证结合面传力有效。

（2）加固厚度设计对钢筋混凝土梁的承载力会产生直接影响，加固厚度较大，会增加横隔梁自重，降低加固效率。加固厚度较小，会使加固后的钢筋无法达到预期的承载力要求。因此，加固厚度要根据新浇混凝土是否处于受压区而定，充分发挥出新浇混凝土层的加固作用。

（3）根据工程实例研究证实，采用喷射法处理旧混凝土表面，能够使混凝土表面达到较为理想的粗糙程度，减少机械凿毛处理对结合面的扰动，提高新旧混凝土的黏结性能，进而提高加固部位的受力性能[8]。本工程采用喷射法处理结合面。

2.2.3 设计分析

本工程对横隔梁加固采用增大截面法，具体设计步骤如下：

（1）采用实体建模方式分析钢筋和新旧混凝土数据，原桥梁采用C30混凝土，加固中采用C50混凝土，加固钢筋选用HRB335级钢筋，纵筋与箍筋直径分别为16mm、12mm。

（2）采用SOLID45单元模拟混凝土，采用PIPE20单元模拟钢筋，固结横隔梁两端，对横隔梁施加荷载，生成加固后横隔梁透视图、边形图、主应力分布图，将其与加固前横隔梁变形量、主应力分布情况经对比，结果为：在相同荷载作用下，加固后横隔梁的最大拉应力由加固前的0.316MPa、0.036MPa下降到0.099MPa、0.007MPa；加固后横隔梁的最大位移由加固前的0.003 98mm降至0.000 95mm。可见，采用增大截面加固设计能够显著提升横隔梁承载力。

2.3 桥梁预应力加固技术要点

2.3.1 预应力钢丝绳加固技术

在桥梁加固工程中，可以采用预应力钢丝绳加固技术，为使该技术的作用得以充分发挥，应掌握相关的技术要点，具体如下：

（1）对待加固的梁板表面上的劣化混凝土加以清除，使新的混凝土外露，锈蚀的钢筋要做除锈处理，使用环氧砂浆修补不平的部位，以灌浆的方法，封闭宽度大于0.15mm的裂缝，为确保灌浆质量，可将优质的环氧灌缝胶作为首选；以表面封闭的方法，对宽度小于0.15mm的裂缝加以处理，并将粘贴钢板部位的混凝土凿除1.0cm左右，用专用的粘钢胶粘贴钢板，再以高强螺栓锚固钢板，确保稳固。

（2）依据钢丝绳的根数及其能承受的拉力荷载，对端部锚具及转向块设计制作，为便于张拉锚固作业的开展，将外侧做成开口的形式，开口比钢丝绳的直径略宽60.5mm[9-11]。可按照焊接的需要确定锚具的厚度，并依据钢丝绳承受的拉力确定锚具的宽度，以梁底的宽度确定锚具的长度。当锚具与转向块根据设计要求全部制作完毕后，可以采用焊接的方法，将之固定在钢板上。

（3）依据设计要求，在现场对梁段底板测量放线，准确确定出端部锚具与转向块的中心线位置[12]。将锚座安装在梁底，并将转向块安装在梁中心线沿跨度方向的刻槽内，刻槽深度以锚固钢板能够嵌入为准，这样能够使梁底与钢丝绳之间贴合得更加紧密。对刻槽处打磨，使其形成粗糙的表面，按设计图纸中给出的位置钻设植筋孔，并向孔内植入全螺纹锚杆。随后对锚固钢板的粘贴面全面打磨，并将预先准备好的粘钢胶均匀涂抹在打磨好的钢板表面及混凝土面上，按预定位置粘贴钢板，贴好后紧固螺母，使钢板固定。

（4）钢丝绳要严格按照设计图纸给出的尺寸下料，下料长度可以通过工作应力计算结果加以确定[13]。在腹板底面上，布设两层钢丝绳，每层12根，并在腹板两侧各布设12根钢丝绳。安装好梁底锚座后，以同规格的钢丝绳作为基准钢丝，按张拉控制应力与引伸量的关系，对钢丝绳在无应力状态下的下料长度精确确定。可在拉紧但无应力的状态下对钢丝绳下料，误差控制在±3.0mm以内；在端部将钢丝绳弯折为双股，穿入挤压锚头的内孔中，用专门设计的挤压模具和机械，完成强力挤压，使锚头与钢丝绳压为一体。

（5）将钢丝绳的一端穿入锚具的开口内，张拉另外一端，当张拉的长度满足锚具间距的要求时，可直接将钢丝绳从锚具的开口处嵌入，随后锚固挤压锚头。张拉过程中，应遵循对称的原则，从中间向两侧对称张拉，避免结构在张拉力的作用下产生扭曲、侧弯等问题，两侧钢丝绳的数量差最多不得超过3根。张拉时，应对每根钢丝绳的张拉应力密切关注，防止拉应力过大或是过小。螺栓植入混凝土的深度应达到7.0cm以上，钻设植筋孔时，要避开主筋。

2.3.2 加大截面加固技术

（1）为使新旧混凝土之间的结合更加紧密，可对原结构中的混凝土缺陷加以处理，使其露出密实的部分，随后对混凝土构件表面凿毛，可以凿成深度为6.0mm左右的沟槽，间距控制在200mm以内，不得超过箍筋的间距。采用多面外包加固的方法时，要在加固前将加固构件的棱角全部敲掉。

（2）对受力钢筋除锈，若是条件允许，则可在受力钢筋施焊前，通过卸荷或是支顶措施，逐根焊接，这样能够减少钢筋热变形，降低对结构承载力的影响。冲洗混凝土表面，去除污物和灰尘，新混凝土浇筑前，应对原混凝土表面用界面剂处理，增强新旧混凝土的结合性。

（3）外包加固要采取相应的措施，确保模板搭设、钢筋安放及混凝土浇筑质量合格，从而使混凝土达到密实。浇筑混凝土后，要按照规范要求养护，时间不少于14d，养护后，能够降低早期开裂的产生概率[14]。