某连续刚构桥梁体外预应力加固性能分析

应 立，伍晓孟*

（中铁长江交通设计集团有限公司，重庆）

引言

近年来，随着我国经济建设的快速发展，交通运输需求持续增长，公路建设不断开展，连续刚构施工技术的进一步成熟，连续刚构桥因施工简单方便、造价低廉、后期养护量小而被被广泛采用。但随着大量的连续刚构桥建成使用之后，连续刚构的病害随之显现，20 世纪建成的连续刚构桥普遍出现主跨跨中下挠、箱梁梁体开裂，直到预应力混凝土相关规范、规程的不断完善这种状况才得以改善，但也未能完全避免。

连续刚构作为多次超静定结构，一旦受损，修复的难度极大，因此，该类桥梁减少构件病害和对构件病害的加固处理就显得尤为重要。箱梁梁体开裂和主跨跨中下挠是连续刚构最常见的病害形式，墩顶横隔板、梁端横梁经常因施工原因产生裂缝，箱梁顶板下缘、跨中底板下缘在车辆荷载下经常会出现裂缝，箱梁腹板及跨中横隔板等位置在温度影响下也经常会出现裂缝。当箱梁的裂缝发展到一定程度便会严重危害到结构的承载能力，降低桥梁整体结构的耐久性，对桥上车辆安全和行人生命造成威胁；连续刚构为防止跨中下挠均设置有预拱度值，但许多桥梁在营运数年后，预设的预拱度值便被跨中下挠量抵消，并且随着时间的推移，跨中的下挠量持续增加。通过对大量的连续刚构桥病害情况的持续观察、对比分析，发现跨中下挠会使箱梁梁体下凸，会致使新生裂缝的产生和引起裂缝发展，在此过程中箱梁梁体的刚度被削弱，在营运荷载的情况下进一步加剧了梁体的下挠，二者之间相互影响，形成一种恶性循环。国内学者[1-4]对连续刚构桥病害成因及加固技术进行了研究。其中部分学者[5-7]对体外预应力加固进行了单独的分析与试验研究。

笔者对某连续刚构桥发生裂缝与跨中下挠病害后采用体外预应力加固进行分析，验证加固效果，为类似桥梁加固工程提供参考依据。

1 桥梁概况

研究对象桥梁选取重庆某主桥主跨137 m 的连续刚构桥。桥梁为双向双车道，两侧均设置1.5 m 宽人行道，桥梁总宽12.0 m。桥梁跨径布置为5×30 m+(79+137+79)m 连续刚构+3×30 mT 梁，桥墩根据墩高情况采用薄壁墩和柱式墩，钻孔桩基础；两岸桥台采用U 型桥台，明挖基础。桥梁全长547 m。大桥桥跨布置见图1。

图1 大桥桥跨布置

2 主桥箱梁主要病害及成因

2.1 主桥箱梁现状及主要病害

结合结构外观观察和桥面标高检测测量结果，主桥箱梁构件病害主要表现为局部破损露筋、个别位置出现箱内积水，箱梁裂缝（纵向裂缝、斜向裂缝、网状裂缝）、跨中下挠。

2.2 主要病害成因分析

结合对象桥梁施工过程资料、运营资料和箱梁现状，对主跨跨中下挠病害的成因分析如下：

（1） 预应力损失导致有效预应力减小对箱梁结构的内力分布造成较大的影响：①混凝土发生收缩徐变；②锚具变形、钢绞线松弛；③预应力施工定位偏差、钢绞线紧贴波纹管、混凝土浇筑振捣造成预应力偏位等。

（2） 箱梁梁体裂缝消减了梁体刚度，进而促进了梁体下挠。

结合本桥现状外观实际情况局部破损露筋的成因分析如下：

（1） 模板未充分湿润情况下浇筑混凝土，导致水化不充分或失水，混凝土强度降低，拆模时混凝土表层受损导致露筋。

（2） 混凝土强度不足情况下拆模或抽芯，致使混凝土表层受损露筋。

（3） 混凝土浇筑时振捣不密实、松散、夹杂物、空洞，致使局部露筋。

结合本桥箱内泄水孔检查情况，对箱内积水的成因分析如下：泄水孔没有完全打开或打开了，里面还有积水，而顶板齿板口施工未及时跟上，下雨或下雪，直接留在箱梁里没有排除。

结合本桥实际运营情况和现状外观实际情况混凝土裂缝的成因分析如下：

（1） 施工时混凝土养护不够，形成混凝土收缩裂缝。

（2） 在温度、混凝土收缩徐变等影响下，产生的裂缝。

（3） 在营运过程中，跨中的下挠量持续增加，结构变形引起裂纹、裂缝进一步发展，裂缝又使箱梁结构刚度降低，促进了箱梁结构的下挠，二者之间相互影响，形成一种恶性循环。

3 加固处治方案

（1） 对箱梁结构跨中下挠采取结合计算增设体外预应力进行加固处治。结合桥梁下挠情况通过建模分析，在主桥边跨增设边跨底板体外束、在中跨增设腹板体外束。体外预应力束布置见图2。

图2 体外预应力束布置

（2） 对局部破损、不密实、松散、夹杂物、空洞露筋部位进行凿毛除锈，然后采用环氧砂浆彻底修补。

（3） 对箱内积水采取清除积水、疏通泄水孔方式进行处理。

（4） 对箱梁裂缝进行修补，依据裂缝宽度的不同分别采用压浆法和封闭法。

4 加固后整体验算受力分析

体外预应力与体内预应力由于受环境约束差异较大，在外载作用下的振动幅度、频率、传力方式均存在较大差异，箱梁混凝土与纵向受力钢筋（含预应力）的应力和应变变化规律将发生改变，在加固前后是两种工作状态，箱梁截面与加固主梁截面变形不能完全协调一致。在荷载作用下梁体产生挠度变形时，由于截面变形的不一致，体外预应力束的偏心距也随之发生变化，这种变化多数是对加固梁不利的。因此，箱梁结构采用体外预应力加固后要从抗弯能力和抗剪能力等方面对体内有粘结预应力和体外无粘结预应力之间的协同工作性能分析进行验算。本桥采用桥梁专用分析软件MIDAS 对主桥承载能力抗弯、抗剪能力进行结构验算。桥梁结构验算模型见图3。

图3 结构验算模型

4.1 加固梁承载能力抗弯能力验算

箱梁加固前后受力状态发生了较大变化，加固梁按规范中的受弯构件进行计算，计算时作如下假定：

（1） 加固梁在荷载作用下，混凝土受压区应变超前，在极限状态下加固梁破坏形式不变。

（2） 受压区混凝土的应力为线性分布。

（3） 加固梁内的所有钢筋均达到抗拉强度设计值。

（4） 体外预应力束在破坏状态时应力达到限值。

4.2 加固梁承载能力抗剪能力验算

箱梁加固前后受力状态变化较大，但增加体外预应力对箱梁截面抗剪有利的，特别是腹板体外预应力对构件斜截面抗剪效果明显，加固梁斜截面承载力可通过极限平衡关系分析得到。

式中：V'- 混凝土、箍筋、普通钢筋、弯起钢筋提供的剪力抗力值；

σpu- 体外束破坏时的应力值；

Apb- 体外束截面面积；

θe- 体外束在验算截面处于水平面的夹角。

5 体外预应力加固效果

（1） 测点布置：连续刚构属于多次超静定结构，增加体外预应力对梁体结构内力影响较大，为确保施工安全，体外预应力施工过程中对线形和应力进行全程跟踪监测。

（2） 加固前后桥面线形变化：为了抬高跨中标高抵消跨中下挠以抑制裂缝的产生和跨中挠度的加剧。通过对浇筑混凝土、首次张拉和二次张拉施工阶段的位移线形监测确定加固线形方面的效果，统计结果见图4。体外预应力加固后，边跨出现下挠，最大下挠值为9.7 mm，中跨出现上抬，最大上抬值为13.8 mm。由图示可看出结构变形大致对称，挠度相对加固前变小，加固起到了降低梁体竖向变形的效果，对抑制因挠度导致梁体裂缝的作用，说明采取体外预应力加固的处治方案一定程度上提升了桥梁上部箱梁结构的刚度。

图4 桥梁结构加固前后的竖向变形

（3） 混凝土正应力的变化：以加固前应力为监测起点，对加固过程每个阶段的应力变化和累积进行研究分析，统计结果见表1。

表1 混凝土正应力加固过程变化统计分析（MPa）

由表1 可知，施工过程对腹板上、下缘应力的影响明显。浇筑混凝土时腹板上缘和边跨3/4 处腹板下缘产生应力均为压应力，其他部位的腹板下缘产生应力均为拉应力；首次张拉体外预应力时除墩顶处上缘、中跨1/4 处产生拉应力外，其他部位的产生应力均为压应力；二次张拉体外预应力时除边跨1/2 处下缘、边跨3/4 处下缘、墩顶处下缘产生拉应力外，其他部位的产生应力均为压应力；最终所有部位产生应力累积值均为压应力，这对连续刚构箱梁结构抑制裂缝的产生是有利的。

6 结论

本文首先介绍了连续刚构桥梁的常态病害，依托于某连续刚构的加固方案，通过具体数据验证在抑制挠度和裂缝产生两个主要方向的效果，结果证明采取体外预应力方案加固后连续刚构箱梁结构挠度值变小，各部均增加了压应力有利于抑制裂缝产生，加固具有较好的效果，可为连续刚构桥梁加固提供一定的借鉴作用。