连续刚构桥体外预应力加固前后受力分析

孙全胜 高志洋

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

体外预应力结构的概念及方法产生于法国，由Eugene Freyssinet完成了体外预应力的首次应用[1]。体外预应力钢束加固属于主动加固的一种[2]，依靠后加预应力对结构施加反向力矩等[3]，进而抵消部分自重或外荷载产生的内力，不仅可以改善原结构的受力状态，还能提高桥梁使用性能。体外预应力具有自重轻、施工工期短、预应力筋维护方便等优点[4,5]，使其在工程结构加固与改造中得到广泛应用[6]。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

本研究桥梁为某连续刚构箱梁桥左幅桥，桥梁全长549.8 m，主桥全宽24.6 m,跨径布置为75 m+3×130 m+75 m，横向布置为：0.5 m(栏杆)+11.0 m(行车道)+0.5 m(栏杆),如图1所示。上部采用5跨预应力混凝土连续刚构箱梁桥，主梁用单箱单室箱梁。下部结构为双薄壁墩、肋板式桥台，天然扩大基础[7]。

1.2 主要病害

箱梁腹板斜裂缝共计58条，总长度共计8 662 cm，箱梁顶板纵向裂缝共约9条，总长度约为1 100 cm。裂缝明显可知是由于主拉应力过大导致。桥梁跨中下挠，最大处达6 cm。

2 有限元模拟及计算分析

根据施工、设计双方所确定的工序、基本参数[8]，利用空间有限元程序建立有限元模型[9]。各主要参数按如下采用:

1)恒载：桥面铺装采用65 kN/m；

2)自重：结构尺寸按图纸确定，容重取25 kN/m3；

3)汽车活载：汽车荷载采用公路Ⅰ级进行计算分析;

4)预应力:预应力钢筋遵从设计规范进行张拉力、摩阻系数等参数取值;

5)计算模型如图2所示。

2.1 加固方案

1)体外预应力加固。

边跨采用预应力钢束，张拉控制应力为930 MPa，为标准强度的50%。配套采用体外预应力锚具，便于桥梁的维护。

体外束布置图如图3，图4所示。

2)腹板加固。

将钢板条粘贴在腹板两侧进行加固[10]，斜截面采用加固补强。对于主梁出现斜裂缝较严重部位，宜先进行灌缝处理。

3)底板加固。

先将底板混凝土凿除，下方用钢板封堵，钢板与底板用锚固螺栓连接。对于主跨其他裂缝，宜先进行灌缝处理。

2.2 加固前后理论验算

2.2.1主梁正截面压应力验算

主梁正应力计算结果见表1。

表1 加固前后各截面正应力变化表

由表1可知，加固后，主梁截面压应力都有明显提高，上缘压应力最大提高3.55 MPa，下缘压应力最大提高值分别为2.54 MPa，3.11 MPa，3.85 MPa，综上，体外预应力钢束加固可改良主梁受力情况，提升主梁的压应力储备，效果显著。

2.2.2主梁斜截面主压及主拉应力验算

斜截面主压及主拉应力计算结果见表2。

表2 加固前后各斜截面应力变化表

由表2可知，加固后各截面主压应力均增大，增大最大值为3.10 MPa，最大主拉应力均有降低，降低最大处值为2.31 MPa，加固后主梁的主拉应力最大值为1.08 MPa，说明体外预应力加固后主梁斜截面的受力状况明显改善，符合设计要求。

2.2.3加固前后主梁挠度验算

主梁各截面挠度值见表3。由表3可知，加固后主梁整体刚度提高，各控制截面的挠度均有改善，改变最大处为各跨的跨中挠度相对上拱值依次为9.52 mm,19.24 mm,16.56 mm。

表3 主梁挠度变化表 mm

3 结论

1)以上验算结果表明，该桥加固实测效应和理论计算值较为吻合[7]，且变化值在合理范围内，符合加固设计以及规范的要求，主梁受力情况始终处于安全可控状态。

2)由体外预应力钢束加固受力分析可知，体外预应力钢束加固不仅提高了主梁正截面上、下缘压应力、斜截面主压、主拉应力储备，也提高了结构的刚度，改善了结构受力状态。同时对刚构桥继续下挠起到了一定的抑制作用。由此可知该桥采用体外预应力加固是积极有效的加固方法[11]，也为以后相似的工程提供了借鉴作用。