装配式简支空心板梁桥体外横向预应力加固效果分析

刘凤山等

摘要：为了修复装配式简支空心板梁桥的铰缝病害，采用体外横向预应力对其进行加固，通过有限元模拟计算以及静载试验对加固效果进行了分析评估，结果表明：体外横向预应力有效改善了空心板梁桥的荷载横向分布，增强了板间的横向联系，铰缝病害得到修复，可为类似桥梁的维修、加固提供借鉴。

关键词：空心板梁桥；体外横向预应力；加固效果；有限元

中图分类号：U443.17文献标志码：B

Abstract： In order to fix the hinge joints problems of fabricated simplysupported hollowslab bridge， external transverse prestress was applied for reinforcement. The reinforcement effect was assessed by finite element numerical simulation and static load test. The results indicate that external transverse prestress effectively improves the transverse distribution of load on hollowslab bridge， and the diseases in hinge joints are avoided， which provides reference for similar bridge projects.

Key words： hollowslab bridge； external transverse prestress； reinforcement effect； finite element

0引言

装配式简支空心板具有建筑高度低、安装方便、用材经济等优点，是中、小跨径桥梁中广泛采用的桥型。但随着运营年限的增长，简支空心板梁桥普遍出现铺装层沿板铰缝纵向开裂、板缝间填缝料脱节以及梁板间铰缝破碎、塌陷等现象，致使荷载不能有效地横向传递，空心板出现单板受力状态，危及板梁的结构受力以及行车安全[12]。

通过体外横向预应力来提高空心板桥的横向联系是一种比较理想的加固方式，能主动解决横向应力问题。本文所依托的扩建工程的新桥还未验收，不属于目前养护单位的管理范畴，因此仅能对旧桥空心板施加横向预应力，并对其进行有限元分析，结合静载试验验证，研究该方法的可行性，为同类桥梁的加固和养护提供有益借鉴。

1工程概况

某跨线桥长141.35 m，共9跨，跨径组合为1×10 m+8×16 m，双幅分离式，每幅两车道。扩建前桥面横向布置为0.485 m（防撞墙）+11.128 m（行车道）+0.485 m（防撞墙）。扩建后桥面横向布置为0485 m（防撞墙）+19.428 m（行车道）+0.485 m（防撞墙）。原设计荷载等级为：汽超20，挂120；扩建结构荷载等级为：公路I级。

桥梁上部结构为先张法预应力混凝土圆孔板梁，主要存在的病害为：梁间铰缝开裂破损，对应桥面铺装纵向开裂，较为严重的发展到铰缝断裂失效，形成单板受力。拟采用体外横向预应力对其进行加固，为了了解加固效果，选择16 m跨作为试验分析跨。

2病害成因及加固设计

2.1病害成因分析

装配式空心板铰缝开裂破损、断裂失效以至于形成单板受力这类病害的原因较为复杂，与设计、施工以及后期的运营管养均有一定关系。通过对16 m、20 m等跨径的空心板进行验算分析，发现这些病害的产生很大程度上是对空心板梁桥横向受力和变形考虑不周。由于空心板横向联系过于薄弱，而其自身的横向刚度又很大，在恒活载作用下，横向变形必然会造成横断面梳形张开，从而引起破坏。

2.2体外横向预应力加固机理

（1） 在空心板板底增设体外横向预应力，会使铰缝横向下缘混凝土处于受压状态，平衡了恒、活载引起的横向弯矩，即各空心板相互之间可以同时承受竖向剪力和弯矩，结构形式则由铰接转化成了刚接，增强了空心板的横向联结能力。

（2） 装配式空心板桥铰缝的抗剪强度除了受施工质量影响以外，很大程度上还取决于铰缝混凝土与梁体混凝土间的摩阻力和粘结力；而混凝土间的摩阻力为横向水平分力和摩阻系数的乘积，施加体外横向预应力可以增大混凝土间的摩阻力，铰缝的抗剪强度得到了增强，因此，从这一方面来看，空心板的横向联结能力也得到了提高[3]。

2.3体外横向预应力加固设计

针对该桥的特点，在跨中8 m范围内（横向应力相对较大的位置）张拉9根体外预应力钢束。每束预应力采用单根Φs 1524 mm高强低松弛钢绞线成品索。每根钢绞线纵向间距1 m，张拉控制应力为1 023 MPa。此外，还应考虑钢筋回缩、锚具变形及垫板压密和预应力钢绞线应力松弛引起的预应力损失。锚固装置采用厚钢板制作，通过锚栓与梁体连接。体外横向预应力加固横断面和平面布置分别如图3、4所示。

3.2静载试验验证结果

从横向分布测试结果来看，与加固前状态相比，在加载车横向移动过程中，各轮位作用下梁体挠曲线更加趋于平缓，特别是对于4#～11#梁来说，如图9所示，其横向分布峰值降低较为明显，说明张拉体外横向预应力后，空心板梁桥的横向联系得到了增强。

从承载能力测试结果来看，与加固前状态相比，各片梁的纵向应力和竖向挠度校验系数均有所降低。例如，加固前2#、3#板纵向应力校验系数分别为0474、0.452，加固后校验系数分别为0.471、0354；加固前2#、3#板竖向挠度校验系数分别为0.379、0.396，加固后校验系数分别为0.338、0344。这表明旧桥梁间荷载传递更加均匀有效，结构横向整体性有所加强。

从铰缝扩展测试结果来看，加固前后旧桥板间铰缝均出现一定的扩展，加固前铰缝横向应变最大测试值为469 με，加固后为324 με，加固后旧桥铰缝扩展情况有较为明显的改善。

荷载横向分布，增强板间的横向联系，避免出现单板受力现象。张拉效果会受到铰缝自身状态差异性的影响，应力传递会在底板附近形成“压力拱”现象，若对铰缝下缘灌浆密实，纵缝改善效果会更加显著。张拉体外横向预应力对多片式板梁横向整体性改善明显，可作为类似桥梁维修加固的有益借鉴。

参考文献：

[1]陈淮，张云娜，葛素娟.横向体外预应力加固装配式空心板桥的探讨[J].铁道科学与工程学报，2008，5（6）：2225.

[2]黄民元.体外预应力结构的受力性能研究[J].筑路机械与施工机械化，2009，26（6）：6466.

[3]梁全富.简支空心板梁桥体外横向预应力加固机理分析[J].福建建筑，2008（8）：107109.

[4]张柳煜，陈偕民，邬晓光.腊芒大桥体外预应力加固分析与设计[J].筑路机械与施工机械化，2009，26（10）：5557.

[5]陈小英，李唐宁，黄音，等.CFRP体外预应力加固钢筋混凝土T型梁试验[J].中国公路学报，2010，23（2）：5663.

[责任编辑：王玉玲]endprint

摘要：为了修复装配式简支空心板梁桥的铰缝病害，采用体外横向预应力对其进行加固，通过有限元模拟计算以及静载试验对加固效果进行了分析评估，结果表明：体外横向预应力有效改善了空心板梁桥的荷载横向分布，增强了板间的横向联系，铰缝病害得到修复，可为类似桥梁的维修、加固提供借鉴。

关键词：空心板梁桥；体外横向预应力；加固效果；有限元

中图分类号：U443.17文献标志码：B

Abstract： In order to fix the hinge joints problems of fabricated simplysupported hollowslab bridge， external transverse prestress was applied for reinforcement. The reinforcement effect was assessed by finite element numerical simulation and static load test. The results indicate that external transverse prestress effectively improves the transverse distribution of load on hollowslab bridge， and the diseases in hinge joints are avoided， which provides reference for similar bridge projects.

Key words： hollowslab bridge； external transverse prestress； reinforcement effect； finite element

0引言

装配式简支空心板具有建筑高度低、安装方便、用材经济等优点，是中、小跨径桥梁中广泛采用的桥型。但随着运营年限的增长，简支空心板梁桥普遍出现铺装层沿板铰缝纵向开裂、板缝间填缝料脱节以及梁板间铰缝破碎、塌陷等现象，致使荷载不能有效地横向传递，空心板出现单板受力状态，危及板梁的结构受力以及行车安全[12]。

通过体外横向预应力来提高空心板桥的横向联系是一种比较理想的加固方式，能主动解决横向应力问题。本文所依托的扩建工程的新桥还未验收，不属于目前养护单位的管理范畴，因此仅能对旧桥空心板施加横向预应力，并对其进行有限元分析，结合静载试验验证，研究该方法的可行性，为同类桥梁的加固和养护提供有益借鉴。

1工程概况

某跨线桥长141.35 m，共9跨，跨径组合为1×10 m+8×16 m，双幅分离式，每幅两车道。扩建前桥面横向布置为0.485 m（防撞墙）+11.128 m（行车道）+0.485 m（防撞墙）。扩建后桥面横向布置为0485 m（防撞墙）+19.428 m（行车道）+0.485 m（防撞墙）。原设计荷载等级为：汽超20，挂120；扩建结构荷载等级为：公路I级。

桥梁上部结构为先张法预应力混凝土圆孔板梁，主要存在的病害为：梁间铰缝开裂破损，对应桥面铺装纵向开裂，较为严重的发展到铰缝断裂失效，形成单板受力。拟采用体外横向预应力对其进行加固，为了了解加固效果，选择16 m跨作为试验分析跨。

2病害成因及加固设计

2.1病害成因分析

装配式空心板铰缝开裂破损、断裂失效以至于形成单板受力这类病害的原因较为复杂，与设计、施工以及后期的运营管养均有一定关系。通过对16 m、20 m等跨径的空心板进行验算分析，发现这些病害的产生很大程度上是对空心板梁桥横向受力和变形考虑不周。由于空心板横向联系过于薄弱，而其自身的横向刚度又很大，在恒活载作用下，横向变形必然会造成横断面梳形张开，从而引起破坏。

2.2体外横向预应力加固机理

（1） 在空心板板底增设体外横向预应力，会使铰缝横向下缘混凝土处于受压状态，平衡了恒、活载引起的横向弯矩，即各空心板相互之间可以同时承受竖向剪力和弯矩，结构形式则由铰接转化成了刚接，增强了空心板的横向联结能力。

（2） 装配式空心板桥铰缝的抗剪强度除了受施工质量影响以外，很大程度上还取决于铰缝混凝土与梁体混凝土间的摩阻力和粘结力；而混凝土间的摩阻力为横向水平分力和摩阻系数的乘积，施加体外横向预应力可以增大混凝土间的摩阻力，铰缝的抗剪强度得到了增强，因此，从这一方面来看，空心板的横向联结能力也得到了提高[3]。

2.3体外横向预应力加固设计

针对该桥的特点，在跨中8 m范围内（横向应力相对较大的位置）张拉9根体外预应力钢束。每束预应力采用单根Φs 1524 mm高强低松弛钢绞线成品索。每根钢绞线纵向间距1 m，张拉控制应力为1 023 MPa。此外，还应考虑钢筋回缩、锚具变形及垫板压密和预应力钢绞线应力松弛引起的预应力损失。锚固装置采用厚钢板制作，通过锚栓与梁体连接。体外横向预应力加固横断面和平面布置分别如图3、4所示。

3.2静载试验验证结果

从横向分布测试结果来看，与加固前状态相比，在加载车横向移动过程中，各轮位作用下梁体挠曲线更加趋于平缓，特别是对于4#～11#梁来说，如图9所示，其横向分布峰值降低较为明显，说明张拉体外横向预应力后，空心板梁桥的横向联系得到了增强。

从承载能力测试结果来看，与加固前状态相比，各片梁的纵向应力和竖向挠度校验系数均有所降低。例如，加固前2#、3#板纵向应力校验系数分别为0474、0.452，加固后校验系数分别为0.471、0354；加固前2#、3#板竖向挠度校验系数分别为0.379、0.396，加固后校验系数分别为0.338、0344。这表明旧桥梁间荷载传递更加均匀有效，结构横向整体性有所加强。

从铰缝扩展测试结果来看，加固前后旧桥板间铰缝均出现一定的扩展，加固前铰缝横向应变最大测试值为469 με，加固后为324 με，加固后旧桥铰缝扩展情况有较为明显的改善。

荷载横向分布，增强板间的横向联系，避免出现单板受力现象。张拉效果会受到铰缝自身状态差异性的影响，应力传递会在底板附近形成“压力拱”现象，若对铰缝下缘灌浆密实，纵缝改善效果会更加显著。张拉体外横向预应力对多片式板梁横向整体性改善明显，可作为类似桥梁维修加固的有益借鉴。

参考文献：

[1]陈淮，张云娜，葛素娟.横向体外预应力加固装配式空心板桥的探讨[J].铁道科学与工程学报，2008，5（6）：2225.

[2]黄民元.体外预应力结构的受力性能研究[J].筑路机械与施工机械化，2009，26（6）：6466.

[3]梁全富.简支空心板梁桥体外横向预应力加固机理分析[J].福建建筑，2008（8）：107109.

[4]张柳煜，陈偕民，邬晓光.腊芒大桥体外预应力加固分析与设计[J].筑路机械与施工机械化，2009，26（10）：5557.

[5]陈小英，李唐宁，黄音，等.CFRP体外预应力加固钢筋混凝土T型梁试验[J].中国公路学报，2010，23（2）：5663.

[责任编辑：王玉玲]endprint

摘要：为了修复装配式简支空心板梁桥的铰缝病害，采用体外横向预应力对其进行加固，通过有限元模拟计算以及静载试验对加固效果进行了分析评估，结果表明：体外横向预应力有效改善了空心板梁桥的荷载横向分布，增强了板间的横向联系，铰缝病害得到修复，可为类似桥梁的维修、加固提供借鉴。

关键词：空心板梁桥；体外横向预应力；加固效果；有限元

中图分类号：U443.17文献标志码：B

Abstract： In order to fix the hinge joints problems of fabricated simplysupported hollowslab bridge， external transverse prestress was applied for reinforcement. The reinforcement effect was assessed by finite element numerical simulation and static load test. The results indicate that external transverse prestress effectively improves the transverse distribution of load on hollowslab bridge， and the diseases in hinge joints are avoided， which provides reference for similar bridge projects.

Key words： hollowslab bridge； external transverse prestress； reinforcement effect； finite element

0引言

装配式简支空心板具有建筑高度低、安装方便、用材经济等优点，是中、小跨径桥梁中广泛采用的桥型。但随着运营年限的增长，简支空心板梁桥普遍出现铺装层沿板铰缝纵向开裂、板缝间填缝料脱节以及梁板间铰缝破碎、塌陷等现象，致使荷载不能有效地横向传递，空心板出现单板受力状态，危及板梁的结构受力以及行车安全[12]。

通过体外横向预应力来提高空心板桥的横向联系是一种比较理想的加固方式，能主动解决横向应力问题。本文所依托的扩建工程的新桥还未验收，不属于目前养护单位的管理范畴，因此仅能对旧桥空心板施加横向预应力，并对其进行有限元分析，结合静载试验验证，研究该方法的可行性，为同类桥梁的加固和养护提供有益借鉴。

1工程概况

某跨线桥长141.35 m，共9跨，跨径组合为1×10 m+8×16 m，双幅分离式，每幅两车道。扩建前桥面横向布置为0.485 m（防撞墙）+11.128 m（行车道）+0.485 m（防撞墙）。扩建后桥面横向布置为0485 m（防撞墙）+19.428 m（行车道）+0.485 m（防撞墙）。原设计荷载等级为：汽超20，挂120；扩建结构荷载等级为：公路I级。

桥梁上部结构为先张法预应力混凝土圆孔板梁，主要存在的病害为：梁间铰缝开裂破损，对应桥面铺装纵向开裂，较为严重的发展到铰缝断裂失效，形成单板受力。拟采用体外横向预应力对其进行加固，为了了解加固效果，选择16 m跨作为试验分析跨。

2病害成因及加固设计

2.1病害成因分析

装配式空心板铰缝开裂破损、断裂失效以至于形成单板受力这类病害的原因较为复杂，与设计、施工以及后期的运营管养均有一定关系。通过对16 m、20 m等跨径的空心板进行验算分析，发现这些病害的产生很大程度上是对空心板梁桥横向受力和变形考虑不周。由于空心板横向联系过于薄弱，而其自身的横向刚度又很大，在恒活载作用下，横向变形必然会造成横断面梳形张开，从而引起破坏。

2.2体外横向预应力加固机理

（1） 在空心板板底增设体外横向预应力，会使铰缝横向下缘混凝土处于受压状态，平衡了恒、活载引起的横向弯矩，即各空心板相互之间可以同时承受竖向剪力和弯矩，结构形式则由铰接转化成了刚接，增强了空心板的横向联结能力。

（2） 装配式空心板桥铰缝的抗剪强度除了受施工质量影响以外，很大程度上还取决于铰缝混凝土与梁体混凝土间的摩阻力和粘结力；而混凝土间的摩阻力为横向水平分力和摩阻系数的乘积，施加体外横向预应力可以增大混凝土间的摩阻力，铰缝的抗剪强度得到了增强，因此，从这一方面来看，空心板的横向联结能力也得到了提高[3]。

2.3体外横向预应力加固设计

针对该桥的特点，在跨中8 m范围内（横向应力相对较大的位置）张拉9根体外预应力钢束。每束预应力采用单根Φs 1524 mm高强低松弛钢绞线成品索。每根钢绞线纵向间距1 m，张拉控制应力为1 023 MPa。此外，还应考虑钢筋回缩、锚具变形及垫板压密和预应力钢绞线应力松弛引起的预应力损失。锚固装置采用厚钢板制作，通过锚栓与梁体连接。体外横向预应力加固横断面和平面布置分别如图3、4所示。

3.2静载试验验证结果

从横向分布测试结果来看，与加固前状态相比，在加载车横向移动过程中，各轮位作用下梁体挠曲线更加趋于平缓，特别是对于4#～11#梁来说，如图9所示，其横向分布峰值降低较为明显，说明张拉体外横向预应力后，空心板梁桥的横向联系得到了增强。

从承载能力测试结果来看，与加固前状态相比，各片梁的纵向应力和竖向挠度校验系数均有所降低。例如，加固前2#、3#板纵向应力校验系数分别为0474、0.452，加固后校验系数分别为0.471、0354；加固前2#、3#板竖向挠度校验系数分别为0.379、0.396，加固后校验系数分别为0.338、0344。这表明旧桥梁间荷载传递更加均匀有效，结构横向整体性有所加强。

从铰缝扩展测试结果来看，加固前后旧桥板间铰缝均出现一定的扩展，加固前铰缝横向应变最大测试值为469 με，加固后为324 με，加固后旧桥铰缝扩展情况有较为明显的改善。

荷载横向分布，增强板间的横向联系，避免出现单板受力现象。张拉效果会受到铰缝自身状态差异性的影响，应力传递会在底板附近形成“压力拱”现象，若对铰缝下缘灌浆密实，纵缝改善效果会更加显著。张拉体外横向预应力对多片式板梁横向整体性改善明显，可作为类似桥梁维修加固的有益借鉴。

参考文献：

[1]陈淮，张云娜，葛素娟.横向体外预应力加固装配式空心板桥的探讨[J].铁道科学与工程学报，2008，5（6）：2225.

[2]黄民元.体外预应力结构的受力性能研究[J].筑路机械与施工机械化，2009，26（6）：6466.

[3]梁全富.简支空心板梁桥体外横向预应力加固机理分析[J].福建建筑，2008（8）：107109.

[4]张柳煜，陈偕民，邬晓光.腊芒大桥体外预应力加固分析与设计[J].筑路机械与施工机械化，2009，26（10）：5557.

[5]陈小英，李唐宁，黄音，等.CFRP体外预应力加固钢筋混凝土T型梁试验[J].中国公路学报，2010，23（2）：5663.

[责任编辑：王玉玲]endprint