先张法预应力空心板桥简支转连续加固方法

岳俊欢 吴培关 杨忠恒

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.普洱市地方公路管理处 云南普洱 665000)

0 引言

20世纪50—90年代，在造桥业实现跨越式发展情形下，我国大量兴建大中小桥，由于简支空心板桥施工方便，制作原理简单，所以被普遍运用于中小跨径桥梁中[1]。但是，大量的先张法预应力空心板桥随着使用年限递增，先张法空心板预应力钢绞线未弯起，钢绞线不能提供抗剪承载，特别是内腔采用气囊成型的先张法空心板，由于气囊变形的原因，其底板的钢绞线保护层厚度不能保证，使预应力损失[2]。而各种病害的出现，导致桥梁的承载力和耐久性进一步降低，甚至达不到设计荷载的要求，加之重车不断增多，特别是超载车辆逐年增加，使得桥梁出现损伤，进一步降低了桥梁安全系数[3-6]。由于桥梁的承载力并未完全丧失，如果拆除重建，其代价较高，也会给施工过程中的保通带来很大的压力。所以，加固往往是相对更为合适的方案。

改变桥梁的结构体系，对旧桥采用简支变连续提载加固不失为一种好办法。由结构力学可知在跨径都为l，大小都为均布荷载q作用下的两跨连续梁，跨中正弯矩为0.082ql2，简支梁为0.125ql2，连续桥梁比简支桥梁跨中弯矩明显减小，相当于桥梁的承载力和刚度都得到提高[7-12]。如果在简支转连续加固时，对梁端抗剪能力进行加强，可同时加强结构的抗剪能力，使桥梁使用寿命得以延长。且简支变连续后，桥面伸缩缝减少，行车舒适性提高，使桥面沿伸缩缝产生病害的概率降低。本文结合工程实例，展现了体系转换的优势[13-16]。

1 工程实例概况

云南玉溪黑箐桥，桥梁全长50.5 m，桥面总宽13 m，车行道宽12 m，上部结构为22 m+18 m预应力混凝土简支空心板。截面构造图如图1所示。随着交通量越来越大，该桥出现了桥面沥青混凝土铺装层局部高低不平，空心板板底厚度不足，大部分空心板板底出现纵向裂缝，多处混凝土脱落破损，板底破损露筋，钢绞线回缩，空心板承载力下降等一系列问题，给桥梁使用带来极大隐患。为提高桥梁承载力，满足承载能力和正常使用要求，需对该桥进行加固处理。

图1 预应力空心板桥立面

针对该桥上部结构板底出现纵向贯通裂缝、混凝土破损、铰缝不密实导致空心板承载力下降，应采取空心板内腔注浆增加空心板底板厚度，并采取加固措施恢复空心板承载力。本桥的加固，是将原空心板结构简支改为连续受力，即凿除墩顶7 m范围空心板顶板混凝土，布设负弯矩钢筋，空心板两端各3 m(18 m跨)和4 m(22 m跨)范围之内，空腔用钢筋混凝土填实，除了确保墩顶位置结构形成有效的连续外，也保证空心板支点位置的抗剪能力得到提高，如图2。

图2 墩顶连续构造(单位：cm)

2 承载能力验算

2.1 加固前后承载能力验算

采用有限元软件按空间梁格法建模对简支空心板桥的变形和受力进行模拟分析，成桥阶段模型见图3。

图3 简支空心板计算模型

在加固整体计算中，分为两个阶段。阶段一按简支梁计算，荷载主要有自重和一期荷载。阶段二按连续化后的连续梁计算，荷载主要有二期恒载和活载。采用有限元软件建立全桥空间模型，成桥模型见图4。

图4 连续空心板计算模型

2.2 加固前后结果对比分析

为比较桥梁简支转连续加固效果，取跨中最大弯矩、最大挠度、支座处最大剪力为控制截面效应值分别对抗弯和抗剪进行对比分析，结果见表1。

表1 加固前后控制截面效应对比值

经计算分析，改变结构体系后，在同等受力情况下，桥梁跨中弯矩及跨中挠度大幅度降低，符合结构力学中简支转连续跨中弯矩变化规律，抗弯安全系数显著提高，支座处抗剪安全系数提高较明显，达到桥梁加固预期效果，使该桥承载能力和刚度都提高。

3 荷载试验分析

为全面、科学地了解先张法预应力空心板桥加固前后其上部主体结构的工作性能，检验桥梁加固后的承载力、刚度是否满足设计和规范要求，对该桥加固前后进行静载试验分析。静载试验测试桥跨取1#跨(22 m跨)，选取L/4、L/2、3L/4截面，共计3个截面进行应变测点及挠度测点布设。确定2个荷载工况，工况一为中心加载，工况二为偏心加载。以下对黑箐桥静载试验L/2截面测试状况进行分析。

(1)应变试验结果分析。在试验荷载作用下，该桥加固前后各测点位置应变的实测值和理论值见图5，其中应力以受拉为正，受压为负。由图5可知，各荷载工况下，应力值的实测值与理论值变化规律趋势一致，实测值均小于理论值，加固后应力值均减小。在试验工况一、工况二下空心板底缘平均应力值降低了13.2%(工况一)、17.8%(工况二)。

(a)工况一加固前

(2)挠度试验结果分析。在试验荷载作用下，该桥加固前后各测点位置挠度的实测值和理论值见图6，其中挠度以下挠为正。由图6可知，各荷载工况下，挠度值的实测值与理论值变化规律趋势一致，实测值均小于理论值，加固后挠度明显减小。试验工况一、工况二下，单片空心板挠度平均减小0.6 mm(工况一)、0.7 mm(工况二)，为加固前空心板平均挠度的20.7%(工况一)、23.3%(工况二)。

(a)工况一加固前

4 结论

(1)简支转连续改变结构体系加固，能明显减少简支梁桥在常年服役后出现的病害，改变结构体系后，在同等受力情况下，桥梁跨中弯矩及跨中挠度大幅度降低，加固后桥梁的承载力和刚度都明显提高。

(2)原空心板结构简支改为连续受力，采用填实支点附近空心板内腔增大截面的方法，使空心板支点位置处的抗剪能力得到提高。

(3)经荷载试验测试状况分析，各荷载工况下的挠度和应变实测值与理论值变化规律基本一致，实测值均小于理论值，其应力和挠度未出现异常，结构处于弹性工作状态，结构强度及刚度符合设计规范要求。

(4)加固后，经荷载试验分析，空心板底缘应力平均降低13.2%、挠度平均减小20.7%，结构刚度大幅度提高，上部结构横向整体受力性能稍有改善，纵向整体受力性能明显提高。