大跨径PC连续梁桥体外预应力加固研究

张树国

摘 要：随着我国交通网络不断布设与扩张，预应力混凝土桥梁的建设数量不断增加，成为了交通网中主要桥型。但随着运营时间的增长以及使用年限的增长，PC连续梁桥经检测出现了开裂和挠度增大等病害，这严重影响了桥梁的使用，针对该现象文章对体外预应力加固进行了研究，主要内容有：桥梁加固方法分析、通过对案例进行分析，表明病害产生的原因、对现状桥进行荷载试验分析了结构病害产生的原因，结合案例桥的实际情况，对加固方案及加固效果进行了分析。通过以上内容研究表明：体外预应力加固可使桥梁抗裂性能提高，使桥梁正常使用功能得到恢复。

关键词：混凝土桥梁;PC连续梁桥;挠度;桥梁加固

0 引言

城市桥梁在运营过程中，由于材料的特性或环境影响等原因，导致桥梁出现不同程度的变形和损伤，最终导致桥梁承载能力不足而发生破坏。通常情况下将这些损伤和变形定义为桥梁的病害[1]。道路桥梁病害日益严重，给桥梁的使用带来了严重影响，甚至造成桥梁事故。因此解决道路桥梁病害，对桥梁进行加固设计至关重要，文章研究为该问题提供了理论研究方法和加固措施[2]，具有一定的应用意义。

1 桥梁加固方法

1.1 混凝土加固方法

混凝土主要病害表现为裂缝，针对该病害文章采取加固方式如下：

（1）当裂缝宽度小于0.15 mm时，理论上认定裂缝是可以自愈合的，该裂缝不影响结构的正常使用，只需要对裂缝进行封闭处理，不需要采取加固措施，只需做好混凝土的养护管理即可。该病害为一级病害。

（2）当裂缝宽度为0.15 mm～0.2 mm时，应进行灌浆处理，此时裂缝不会造成结构性能的变化，此时将病害认定为二级病害。

（3）当裂缝宽度为0.2 mm～0.3 mm，且裂缝位于结构主要受力部位时，该裂缝会造结构物承载能力降低，影响结构的耐久性和使用性。此时可通过粘贴碳纤布的方式进行修补，该裂缝认定为三级病害。

（4）当裂缝宽度大于0.3 mm，且裂缝位于结构受力位置上时，导致承载力降低，钢筋外露产生锈蚀。此时可通过体外预应力加固的方式对结构进行补强。此时裂缝认定为四级病害。

1.2 钢筋加固方法

钢筋是否进行加固是由锈蚀后的承载能力确定的，而钢筋的承载能力是屈服强度决定的。本文中钢筋的屈服强度可由以下公式确定[3]。

fys=（1-1.077ηs）·fy/（1-ηs）

fuc=（1-1.077ηs）·fu/（1-ηs）

fys表示腐蚀后钢筋的屈服强度;fuc表示腐蚀后钢筋的极限强度;ηs表示钢筋的截面损失率;fy表示未腐蚀钢筋的屈服强度;fu表示未腐蚀钢筋的极限强度。当ηs>0.15时，按热轧钢筋处理。

通过以上公式判定锈蚀的钢筋承载力是否满足要求，如不满足要求需对钢筋进行加固处理，其加固方法有：补焊钢筋，粘贴钢板，体外预应力加固等[4]。

2 案例分析

2.1 工程概况

文章所依托工程为某地区一座PC连续梁桥，该桥的跨径形式主要是（62+100+62）m对称分布形式，桥梁长度为224 m。上部结构梁体采用形式为变截面连续梁，桥面线型为双向纵坡，桥梁竖曲线的半径设置为9 000 m，支座采用的主要形式为盆式支座。桥梁下部结构采用钻孔灌注桩，成梅花形布置。边跨的过渡墩为双柱式，墩顶布置盖梁，基础形式采用钻孔灌注桩，布置形式为双排 6根。荷载等级：公路-Ⅰ级，总体布置如图1所示。

2.2 病害原因分析

通过对原桥进行实地调查发现该桥梁存在较多裂缝，主要分布位置为桥桥梁腹板，且内侧裂缝数量大于外侧，主要分布于支点附近以及跨中位置，底板跨中位置横向裂缝较多，顶板合拢位置纵缝较多，通过对裂缝病害分析可知，产生原因有以下几点：

2.2.1 预应力损失较大

通过分析研究表明：导致桥梁竖向预应力损失的主要原因是预应力钢筋的长度较短，钢筋产生回缩与锚夹具安装时的误差有直接关系;桥梁的施工质量同样对竖向预应力有很大影响。案例桥梁采用的预应力钢筋为高强螺纹钢筋，该钢筋的预应力达不到设计要求，导致腹板产生斜裂缝[5]。

2.2.2 纵筋预应力损失较大

由于桥梁跨中位置承受弯矩较大，导致钢筋产生较大的预应力损失，因此在桥跨底板产生较多的横向裂缝。桥梁在使用过程中底板承受的拉应力较大，当该应力超过极限值时混凝土发生开裂。

2.2.3 温度梯度影响

桥梁在进行结构分析时，忽略了温度梯度带来的横向效应。桥梁的箱梁结构自身较大，在高度上存在不均匀温差，顶板在温度效应作用下产生的横向拉应力被忽略。箱梁顶板沿桥方向上存在压应力，因此会产生横向拉应变，导致桥梁跨中合拢段产生纵向裂缝。

2.2.4 应力计算错误

桥梁在进行主拉应力计算时忽略了横向应力。主拉应力计算公式如下所示[6]：

上式中：σx表示計算点混凝土的法向应力;σy表示计算点混凝土竖向压应力;τ表示计算点混凝土的剪应力。上式中未考虑因素为腹板横向应力，但在实际情况中箱梁腹板的受力状态为三维受力，这种受力状态决定了箱梁的内侧裂缝比外侧裂缝多。

3 现状桥梁结构分析

3.1 模型建立

文章利用Midas civil对所依托的桥梁进行模型建立，对混凝土主梁进行梁单元模拟，通过等效荷载的方式来代替体外预应力加固。桥梁的支座约束通过一般支撑来进行模拟。桥梁的有限元模型如图2所示。模型建立过程中主梁的截面尺寸依据桥梁设计值模拟，梁段单元的划分依据施工段进行，全桥共88个单元。桥梁主梁的混凝土采用C50，弹性模量取值为3.45×104 MPa，泊松比取值0.2，混凝土容重26 kN/m3。桥梁纵向钢筋采用低松弛的预应力钢绞线，弹性模量取值为1.95×105 MPa。

3.2 荷载试验

为了解桥梁的承载能力和桥梁病害产生的原因，对结构进行了相关试验，主要有静力荷载试验和动力荷载试验。静载试验方案设计：控制截面选取位置为边跨0.46L截面、支点截面与中跨跨中三个位置。文章共设计3组中载加载方案，3组偏载加载工况，试验车的平均重量为352.6 kN。动载试验与静载试验采用的加载车辆相同，通过桥面的设计时速为：20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h，最后通过动变量与静变量的比值求出冲击系数。

通过静载试验的结果表明：桥梁的验算指标均符合规范规定，因此设计荷载作用下，桥梁的刚度满足要求。

通过动载试验的结果表明：桥梁的一阶自振频率为3.13 Hz该值大于理论计算频率1.09 Hz。车辆以40 km/h的速度通过桥面时，实际测得的冲击系数为0.068，该值大于规范规定的0.05。说明设计荷载作用下，桥梁的刚度满足要求。

通过对桥梁的动荷载和静荷载试验结果进行分析可知：桥梁的整体刚度满足设计要求，后期进行桥梁加固时，对桥梁验算可通过最大冲击系数进行。

3.3 结构受力分析

3.3.1 预应力损失

桥梁在进行建设和运行过程中，预应力会受到施工质量和材料质量以及施工环境等方面因素的影响，导致预应力低于设计理论值，情况较为严重时，会导致竖向预应力失效。

3.3.2 重载交通

文章通过利用Midas civi软件对桥梁进行线弹性分析，分别计算桥梁在不同荷载作用下结构的响应情况。并通过结构自身的特点来进行控制截面的选取，截面分别选择位置为：边跨0.46L、中跨跨中与支点处截面，然后对结构进行效应分析。结果如表1所示。

通过对表1数值进行分析可知：案例所依托的桥梁在重载车队过桥时，能满足安全性的要求，当超重车队通过桥面时，会使桥梁的安全状态受到影响。

4 箱梁顶板分析

4.1 模型建立

文章通过有限元软件ANSYS对箱梁顶板进行模型建立，模型建立过程中忽略桥面铺装和箱梁之间的联合作用。solid6单元为八节点单元，该单元是针对钢筋混凝土设计。该单元的破坏准则能够有效对混凝土开裂进行模拟，因此文章使用该单元对箱梁顶板进行模拟;solid45单元为八节点单元，主要对箱梁的腹板和底板进行模拟;link10单元对钢绞线进行模拟，桥梁模型采用的约束为横向简支约束，设置于箱梁底板的两侧位置。箱梁顶板有限元模型如图3所示。

4.2 顶板分析

本节对桥梁顶板进行受力分析时，主要考虑因素有：箱梁顶板自重、温度梯度、预应力效应、桥面铺装、汽车荷载。通过对桥梁顶板的分析结果可知：桥梁顶板产生纵向裂缝，该病害发生的主要原因是温度梯度和超载车辆二者共同作用发生的，同时也说明超载车辆是使桥梁产生病害的主要原因之一。因此在桥梁的建设和运行过程中应对桥梁加强管理，使桥梁结构具有一定的安全性。

5 体外预应力加固

5.1 加固方案

文章所采用的体外预应力加固方案主要目标是使桥梁的正常使用功能得到恢复，使结构具有较好的安全性，使桥梁的使用年限增長。在进行体外预应力加固时，控制截面选取病害多发的位置，该方法具有一定的代表性，对于桥梁裂缝宽度小于0.15 mm的，应进行封闭处理;当裂缝宽度大于0.15 mm时，对裂缝进行灌浆处理。该方法主要是使桥梁加固后能够正常运营。桥梁的跨中段、边跨合龙段的箱梁顶板有较多的纵缝，为保证桥梁能够达到正常使用状态，文章对该裂缝进行了黏贴碳纤维布处理，防止裂缝继续发展。该桥梁进行体外与预应力钢筋布置时，布置方式如图4所示。

5.2 加固效果分析

通过对桥梁的现状调查和桥梁汽车荷载试验，表明桥梁具有足够的承载能力，桥梁在正常使用过程中的抗裂验算不符合设计要求，因此文章本节通过对桥梁进行体外预应力加固来进行抗裂性能的分析，同时对加固后的混凝土进行压应力验算。

5.2.1 结构抗裂验算

通过对加固效果进行分析可知：通过体外预应力加固后，桥梁主梁边跨、中跨跨中的抗裂性能有明显当的提高。图4所示的预应力钢筋布置形式可以有效解决桥梁预应力不足的病害。

文章对12#箱梁的底板下缘、跨中底板、箱梁顶板上缘等位置进行了抗裂验算，其结果说明：文章采取的体外预应力加固可以使桥梁的正截面抗裂性能有所提高，进行加固后桥梁抗裂验算满足设计要求。通过对箱梁的斜截面进行抗裂验算可知该性能同样能满足设计要求。

5.2.2 混凝土抗压验算

文章通过对主梁压应力进行计算可知：该加固方法有效增大正截面混凝土的压应力，但增大的数值较小。通过对桥梁的抗压性能进行验算可知，体外预应力加固技术可提高桥梁抗裂性能。

6 结语

本文通过对PC梁桥体外预应力加固进行分析得出以下结论：

（1）混凝土存在病害主要为裂缝，对裂缝进行处理的方式有：裂缝宽度小于0.15 mm时，可对裂缝进行封闭处理;裂缝宽度为0.15 mm～0.2 mm时，可对裂缝进行灌浆处理;裂缝宽度为0.2 mm～0.3 mm，可对裂缝进行粘贴碳纤维布处理;钢筋的加固方式为补焊钢筋，粘贴钢板，体外预应力加固。

（2）通过对案例进行分析可知：桥梁产生病害的主要原因有：预应力损失较大、温度梯度影响、应力计算错误。通过对现状桥梁进行分析可知桥梁存在预应力损失，且桥梁有重载车辆行驶，但桥梁的安全性能有所保障，当超重车队通过桥面时，会使桥梁的安全状态受到影响。

（3）文章对桥梁进行体外预应力加固，通过对结构抗裂性能、混凝土抗压性能进行验算可知，该加固方法可提高桥梁的抗弯抗裂性能，增加桥梁的使用年限。

参考文献：

[1]许冰，苗建宝.体外预应力加固转向装置设计与受力特性研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2020，44（5）：881-885+891.

[2]胡利人.桥梁加固施工技术的应用研究[J].交通世界，2020（27）：98-99.

[3]赵强.体外预应力加固桥梁中的转向块的设计和分析[J].中国水运，2020（8）：151-153.

[4]蒋伍林.体外预应力技术在梁式桥梁加固中的应用[J].中阿科技论坛（中英文），2020（8）：106-108.

[5]赵艳峰，王雷.预应力技术在高速公路桥梁加固中的应用分析[J].粘接，2020，43（7）：175-179.

[6]张硕.公路桥梁施工中体外预应力加固关键技术研究[J].黑龙江交通科技，2020，43（7）：149-150.