大跨径PC连续梁桥体外预应力加固技术

王浩阳

（河北高速公路集团有限公司大广分公司饶阳养护班组，河北 石家庄 050000）

0 引言

近年来，大跨度PC连续梁桥因跨度大、线性平稳而被广泛应用。然而，大跨度PC连续梁桥的缺点在运营过程中也逐渐显现出来，如梁体下挠、主梁裂缝等。上述大跨度PC连续梁桥病害通常采用体外预应力加固的方式进行解决[1]。本文以某公路一座大跨度PC连续梁桥体外预应力加固项目为研究背景，详细地调查了桥梁的病害及运营状况，提出了具体加固方案，并对加固效果采用有限元模拟软件进行评价，可为后续同类桥梁加固提供参考依据。

1 工程概况

本文以某公路一座PC连续梁桥的加固设计项目为研究背景，该桥主跨桥墩采用实体板式墩，边跨桥墩采用双柱式墩，桥墩基础均采用钻孔灌注桩。桥跨布置为60m+110m+60m，桥梁全长230m。桥梁主梁截面设计形式为变截面连续梁，桥面线性在设置双向纵坡的同时又增加了2%的横坡，本桥的支座均采用盆式支座。该桥设计荷载等级为公路-Ⅰ级。桥梁立面图、悬臂施工梁段划分图及主梁截面图如图1～图3所示。

图1 桥梁立面布置图（单位：cm）

图2 悬臂施工梁段划分图

图3 主梁截面图（单位：cm）

2 桥梁现状

从公路养护部门得知该桥建于2016年4月，并于2017年11月通过竣工验收。桥梁通车运营后打通了该省道的交通节点，因其连接着附近的港口、砂石料场、大件运输企业等，交通流量较大，且多为重载车辆。桥梁建成通车运营4年后，发现主梁存在大量裂缝，且梁体严重下挠。

2.1 桥梁病害调查

桥梁检测机构对该桥进行了详细的外观检查，同时结合桥梁的荷载试验对其进行了承载能力综合评定。经过外观检测主要发现，箱梁底板、顶板、腹板均存在大量裂缝，宽度为0.12～0.35mm。通过线性测量发现，实测高程与设计高程最大偏差约为30mm，梁体下挠现象较为严重[2-3]。具体裂缝病害见表1。

表1 桥梁裂缝病害统计表

2.2 桥梁运营状况

通过现场对该桥运营现状的长期观察，得知其交通流量较大且多为重载大货车，长期处于超负荷运行状态。为进一步了解桥梁运营期间车辆荷载作用现状，选取一天中8:00—20:00进行观测统计车辆。研究结果表明，在该调查时间段内，桥上通行约11 286辆车，其中载重汽车与罐车占比为63%，小汽车占比33%，大客车占比4%。根据该桥附近超限检测站的数据得知，该路线行驶的车辆存在部分超载车辆。从相关参考文献可以得知，超载车辆上桥行驶将会严重危害桥梁运行安全，极大地降低桥梁实际承载能力[4]。

3 体外预应力加固

通过上文可知，该大跨度PC连续梁桥的主要病害为主梁裂缝、梁体下挠。进一步对桥梁的上述病害结合承载能力评定进行分析研究，得知桥梁的实际刚度能够满足设计要求，但有效预应力已不满足设计要求。通过承载能力验算可知，桥梁在承载能力极限状态下可满足要求，但在正常使用极限状态已不满足要求。为满足桥梁正常使用要求，本桥采取以体外预应力加固为主，其他措施为辅的加固维修方式。体外预应力加固主要基于在原梁体结构上增加体外索，对既有结构主动施加应力，以改善结构受力的一种方法[5～6]。

3.1 加固方案

为满足桥梁体外预应力加固后正常运营，在加固前先对主梁各截面位置处的裂缝进行处理，通常情况下，当裂缝宽度小于0.15mm时，采用表面封闭的处理措施；当裂缝宽度大于0.15mm时，采用水泥浆灌封的处理方法。为限制箱梁顶板纵向裂缝的发展，在裂缝处粘贴碳纤维布进行加固处理，同时对腹板裂缝处进行粘贴钢板加固处理[7]。

3.1.1 体外预应力束面积估算

大跨度PC连续梁桥体外预应力加固首先要对加固结构所需的体外预应力束面积进行估算，根据相关参考文献计算体外预应力束面积估算按公式（1）进行计算。

式（1）中：St为体外预应力束面积；φ为体外纵向预应力折减系数；Sn为控制截面底板或顶板体内纵向预应力筋面积设计值；σpe为体内纵向预应力筋张拉控制应力；en为控制截面底板或顶板体内预应力筋距离截面中性轴平均距离；σtpe为体外预应力筋张拉控制应力；et为控制截面体外预应力束距离截面中性轴平均距离。

该桥中跨跨中截面底板有24束14ϕ15.2的钢绞线，面积为47 040mm2；体内预应力筋张拉控制应力为1 302MPa；体内纵向预应力筋折减系数为0.15；体外预应力筋张拉控制应力为1 116MPa，截面底板体内预应力筋距离截面中性轴平均距离为1 310mm，体外预应力束距离截面中性轴平均距离为1 050mm。由公式（1）计算得出所需体外预应力束面积为10 270mm2。

该桥边跨截面底板有12束14ϕ15.2的钢绞线，面积为23 520mm2；体内预应力筋张拉控制应力为1 302MPa；体内纵向预应力筋折减系数为0.15；体外预应力筋张拉控制应力为1 116MPa，截面底板体内预应力筋距离截面中性轴平均距离为1 310mm，体外预应力束距离截面中性轴平均距离为710mm。由公式（1）计算得出所需体外预应力束面积为7 594mm2。

3.1.2 体外预应力束设计

根据体外预应力束的上述相关计算参数值及桥梁实际情况，最终选取4束17ϕ15.2环氧涂层钢绞线成品索进行体外加固。体外预应力布置形式为全跨通长，线性采用折线形，张拉方式为两端对称张拉，预应力筋张拉控制应力为1 116MPa[8]。

通过外观病害调查得知该桥的边跨合龙位置处顶底板及中跨跨中位置处顶底板均存在大量裂缝，因此本次在体外预应力加固时将边跨的转向装置设在距离支点0.52L位置处，将中跨的转向装置设置在距离支点0.25L位置处。转向装置采用竖向转向肋，转向器采用整束式转向器。每隔10m设置定位装置，避免自振频率相近产生共振的安全隐患。

3.2 加固效果分析

3.2.1 加固后有限元模型建立

根据体外预应力加固后的桥梁现状建立有限元模型，在有限元分析时考虑桥梁的实际情况，体内纵向预应力在原设计值上按照15%进行折减，同时竖向预应力按照全部失效进行考虑。因该桥梁为旧桥加固，在计算体外预应力损失时无需考虑混凝土收缩徐变引起的预应力损失。在进行分析时应考虑因体外索张拉原梁体结构体内预应力因弹性压缩引起的预应力损失，除汽车荷载按实际情况进行取值修正外，其他参数按设计值计算，体外预应力加固后的有限元模型如图4所示。

图4 体外预应力加固后的有限元模型图

3.2.2 加固后桥梁整体验算

通过检测机构对该桥桥梁荷载试验及承载能力检算，得知该桥的实际承载能力可以满足设计要求，但是在正常使用状态下抗裂性不能满足设计要求。为验证桥梁加固后的整体效果，对加固后的桥梁抗裂性能进行了进一步验证分析（见表2、表3），同时对加固后桥梁混凝土的压应力也进行了检算（见表4）。

表2 加固后桥梁结构正截面抗裂验算 单位：MPa

表3 加固后桥梁结构斜截面抗裂验算 单位：MPa

通过对体外预应力加固后的桥梁正截面、斜截面抗裂性验算，表明体外预应力加固技术可以明显提高老旧桥梁的抗裂性，加固后桥梁抗裂性满足规范设计要求。

表4 加固后桥梁结构正截面混凝土抗压验算 单位：MPa

通过对体外预应力加固后的桥梁正截面混凝土抗压验算，表明体外预应力加固技术可以明显改善桥梁的整体受力性，加固后桥梁正截面混凝土抗压满足规范设计要求。同时，由理论挠度计算得知，加固后将会使桥梁中跨跨中上挠5mm，可缓解原结构严重下挠的问题。

4 结语

本文基于某大跨径PC连续梁桥的体外预应力加固为研究背景，详细介绍了大跨径PC连续梁桥病害及运营现状。同时结合桥梁现状提出了详细的加固设计方案，最后通过有限元分析软件对体外预应力加固效果进行研究。研究结果表明，体外预应力加固技术能明显提高桥梁抗裂性恢复桥梁结构正常使用功能。