公路桥梁预应力加固设计分析

李沧江

（新余公路勘察设计院，江西新余 338099）

0 引言

在当前经济社会不断发展之下，交通通行量日益增多，特别是超载运输车辆的存在，给桥梁结构造成很大的冲击和影响，使得桥梁结构的运行性能严重下降，甚至会引发严重病害。在这种情况下，要全面落实桥梁加固工作，有效恢复桥梁性能，达到道路交通运行安全性和稳定性的标准。在桥梁设计方案确定环节，设计人员对桥梁的运行实际情况展开全面了解，综合分析各个运行工况，保证桥梁结构的承载性能合格。但是在投入使用之后，长期受到车辆荷载、自然环境侵蚀等因素影响，使得桥梁结构的运行效果产生严重影响，甚至会引发各项质量问题，对桥梁的通行安全性带来非常大的影响。所以，需要选择合适的加固施工措施，发挥出预应力加固结构的优势，提高桥梁的运行水平。

1 工程概况

某公路桥梁项目结构为钢筋混凝土简支T 梁的形式，跨径20m，上部设计为T 梁的形式，总计有5 片结构，翼板1.6m 宽，腹板宽0.18m。受力钢筋直径22mm，数量为2 根；箍筋直径8mm，间隔14cm 设置，桥梁的周边应用四肢箍筋结构，跨中应用双肢箍筋。经过对桥梁运行状况展开分析和调查，发现该桥梁投入运营的时间非常长，出现较多病害，需要组织进行加固处理才能恢复性能，以达到运行安全性的要求。技术人员展开分析，确定合适的加固方法，主梁为预应力钢丝绳的外包聚合物砂浆加固方式。

2 公路桥梁预应力加固设计

2.1 高强预应力钢丝绳加固设计

2.1.1 原主梁加固设计计算

（1）经过对钢丝绳的强度、张拉控制等方面分析，计算确定应力损失的数据，体外预应力与锚固摩擦预应力为23.33MPa。

（2）经过对此次桥梁的结构运行情况分析，发现预应力损失参数为852.794MPa；预应力度取值0.35，所以通过综合性分析后确定需要施工的钢丝绳数量为48 根。

（3）现场加固施工环节，计算确定跨中正截面极限抗弯承载性能为2840.32kN·m，达到加固施工要求。此外，进行抗弯承载性能检查，发现完全符合设计标准[1-2]。

2.1.2 预应力布置形式

腹板设置2 根高强预应力钢丝绳，确定桥梁张拉设计方案，以原T 梁结构上设置固定锚块与转向块，应用高强度螺栓进行连接，并且使用砂浆进行包裹处理。底层结构按照两层设置，总计有48 根钢丝绳，并做好张拉力的控制，达到张拉效果的要求。

2.1.3 端部锚具设计

按照钢丝绳结构的受力条件，进行锚具结构尺寸的设计确定，还要达到钢丝绳的拉力标准要求。结合目前的加固施工标准，明确锚具截面尺寸，以达到结构强度性能的标准。

2.1.4 预应力加固有限元分析

（1）应用有限元软件展开数据分析，并进行预应力混凝土结构的建模，假设现场处于理想条件下，不受截面尺寸、混凝土结构偏移、新旧连接不足等问题影响，最终确定弹塑性钢筋极限应力值为0.01。

（2）应用有限元方法展开预应力锁的模拟分析，采用等效荷载法进行，不用再考虑预应力筋分布的状态和条件，首先进行混凝土结构建模，并分析体外预应力的变化情况，建设有限元网格体系；选择模型端点与转折点，施加预应力荷载，使钢筋材料可以相互作用。

（3）此次工程中设计人员结合实际加固改造需要，分析有限元的参数计算结论，应用C30、C50 混凝土结构，总计设计有114000 个单元映射网格，在加固结束之后，挠度得到明显提升，并且最大挠度处于跨中位置上。在加固实施完成之后，桥梁的结构制作为反拱形式，最大挠度为4.979mm，在主梁跨中位置上。因此，在加固实施后，结构的性能提升比较明显，效果也在提升。与此同时，整个桥梁截面部位的受力状态得到很大改善，综合利用价值比较高[3-4]。

（4）有限元分析方法应用后，腹板锚具预应力荷载有了很大改善，变形量不断减小，锚具结构的锚固施工质量水平日益提升，为后续的正常运行提供基础。

2.2 增大截面法加固设计

2.2.1 加固设计要点

（1）结合目前所需要的加固尺寸、受力条件、加固标准等方面综合性分析，选择合适的加固截面尺寸，并根据要求应用单侧、双侧、三侧、四周外包的加固方式。同时，根据加固要求确定钢筋设置间距，保护层结构的厚度都符合要求，总体截面尺寸符合标准规定。

（2）对于截面尺寸增加的方法进行加固施工来说，选用C20 以上的混凝土材料，并且应用钢纤维混凝土施工，钢筋、型钢等材料检测合格后投入使用。

（3）新浇筑的混凝土结构厚度在4cm 以上，现场喷射施工加强控制，碎石材料的强度性能合格，粒径在2cm 以内。

（4）受力钢筋直径在12mm 以上，箍筋直径在8mm 以上，按照目前桥梁施工需要，选择应用U 形钢筋的结构形式。

（5）在加固方案设计环节，原结构部分的受力钢筋和加固钢筋间距不超过2cm，对于钢筋连接方式来说，应用焊接方法进行，保证结构共同受力，提升结构承载的性能。短钢筋焊接的过程中，加强间距、焊接质量的控制。

（6）混凝土进行整体结构的封闭处理，保护层厚度完全满足设计标准。

2.2.2 加固设计理论

（1）经过加固方式处理完成之后，横截面的尺寸增大，组合成截面的形式，与原结构对比分析还存在一定差异。结构受力条件加固施工中，剪力、拉力是主要受力条件，应及时分析各项参数，结构承载效果合格，避免存在薄弱的结构部分。设计过程中，应根据要求设置锚固件，新旧结构稳定连接，传力方式符合设计的标准。

（2）加固现场施工中，混凝土厚度符合标准，承载性能合格，横隔梁的运行状态达到标准。但是如果加固厚度不足，会造成承载性能降低，而加固厚度过大，导致结构自重升高，也会给性能带来影响。因此，必须严格执行加固厚度尺寸，形成整体的承载结构。

（3）经过对工程实际情况应用效果进行分析，通过混凝土喷射的方法进行结构加固处理，达到最佳工作状态，避免因为机械凿毛的方式而影响结构性能，促进黏结效果的提升，加固位置受力条件也会得到很大改善[5-6]。

2.2.3 设计分析

对于此次工程项目来说，加固方式应用增加截面法的方式，主要步骤如下：

（1）应用建模的方式分析桥梁加固的实施方案，分析了解钢筋和新旧混凝土的技术参数，原桥梁施工中应用C30 材料，加固时选用C50 材料，纵筋16mm、箍筋12mm。

（2）按照目前的技术标准进行混凝土结构的模拟分析，对于横隔梁完成加固作业，并且制作形成受力参数图，满足工程的使用需要。同时，还要对整个桥梁结构进行荷载性能分析，施加必要的荷载来模拟计算应力参数。经过综合分析，应力性能合格，承载性能达到标准。

2.3 桥梁预应力加固技术要点

2.3.1 预应力钢丝绳加固技术

在桥梁工程加固施工过程中，应用预应力钢丝绳加固施工方式有着非常明显的优势，可以完全提升桥梁加固的水平，满足桥梁的使用需要。在该技术应用的过程中，应该做好如下技术要点控制：

（1）对于梁板结构表面进行加固施工之前，需要将损坏的混凝土结构进行全面清除，裸露出新鲜的混凝土结构。对于锈蚀的钢筋要进行除锈处理，使用环氧砂浆进行表面修补作业，达到平整性的要求。如果结构裂缝宽度在0.15mm 以上，需要使用灌浆的方式进行处理，选择优质的环氧灌缝胶进行施工，达到结构性能恢复的标准。表面封闭施工时，宽度不足0.15mm 的裂缝，需要粘贴钢板的方式进行混凝土结构恢复，达到结构稳定性、安全性的标准。

（2）在预应力钢丝绳加固现场施工过程中，严格控制钢丝绳的数量，按照综合分析承载性能的要求进行设计。端部锚具和转向块的设计过程中，需要从张拉锚固施工的标准要求出发。在外侧设置开口，开口要超过钢丝绳直径60.5mm，严格执行焊接的标准要求，加强锚具的厚度控制，使结构宽度合格，施工的长度也符合标准要求，不会影响现场的施工运行[7-9]。

（3）执行设计方案的要求，对桥梁底板进行测量放线，准确地标记好端部锚具和转向块的施工位置。将锚座设置在梁底板的位置上，并且沿着跨度方向进行刻槽，要将锚固板完全嵌入内部，达到两侧贴合性的效果，符合紧密性的标准。在刻槽的位置要进行打磨处理，形成粗糙的表面，并按照设计方案要求进行施工，使结构的性能达到标准。在上述工作结束之后，要将锚固板进行粘贴，表面凿毛处理，形成粗糙性的表面，然后进行粘贴钢板施工，并且使用螺栓进行固定，达到钢板稳定性的标准。

（4）钢丝绳在加工过程中，严格执行设计方案和技术标准，按照规定的尺寸进行下料，下料的长度通常是经过工作应力计算的方式确定，符合现场施工要求。腹板底面一般来说要设置两层钢丝绳结构，每一层数量为12 根，并且在两侧各布置12 根钢丝绳，形成整体结构。梁底锚座安装工作结束之后，使用相同规格的钢丝绳进行现场的组织施工，并且加强拉伸量的控制，施工的精度合格。在现场施工过程中，使用专业的挤压模具和机械保证挤压作用力，符合现场施工的标准要求，从而使锚头和钢丝绳形成整体的结构。

（5）将钢丝绳从一侧穿入锚具的开口位置上，然后在另外一侧进行张拉施工，张拉施工的长度要符合锚具间隔距离的要求，达到设计标准。在嵌入缺口部位之后，进行锚头的挤压处理，形成符合要求的结构形式。现场张拉过程中，严格执行对称的方式进行，从中心到两侧逐步进行对称张拉作业，防止张拉力过大而产生扭曲、侧弯等问题。张拉过程中对于每一根钢丝绳的张拉应力都要进行监督和控制，随时关注现场施工情况，防止张拉过大或者过小影响施工效果。螺栓插入混凝土结构的深度超过7.0cm，并且不会给结构的主筋施工造成任何影响[10]。

2.3.2 加大截面加固技术

（1）为了使新旧混凝土结构的连接效果合格，达到紧密性的标准，对原混凝土结构缺陷部位需要进行处理，裸露出密实度新鲜的混凝土结构，并且对施工结构表面进行凿毛作业，制作深度在6.0mm 左右的沟槽，并且间隔200mm 左右，不能超出箍筋的设置间距。在现场施工过程中，使用多面外包加固的施工方法，在加固之前需要将结构的棱角进行清理处理。

（2）对受力钢筋进行全面检查，对钢筋表面进行除锈处理，如果现场施工条件允许，可以在受力钢筋焊接工作使用之前，通过卸荷或支顶的措施逐根进行焊接作业，并且避免发生变形的问题，保证结构的承载性能合格。对混凝土结构表面进行全面的冲洗处理，将污渍和灰尘全面清理干净，在新的混凝土结构浇筑施工之前，需要在表面涂抹一层界面剂，使新旧混凝土结构连接效果合格，不会影响整体的结构性能。

（3）通过采取外包加固的施工方式，严格采用现场的管控措施，保证模板搭设、钢筋安装、混凝土浇筑等各个方面质量合格，从而提高混凝土结构的密实度和稳定性。在混凝土浇筑工作完成之后，严格按照养护计划进行，施工时间在14d 以上。保证结构强度性能达标，不会发生早期开裂的问题。

3 结语

对于公路桥梁工程来说，在投入使用后，如果结构发生损坏问题并且越来越严重，对于整个桥梁的运行效果和质量会产生直接影响。在这种情况下，公路桥梁管理单位应该进行加固施工，恢复桥梁结构的性能，满足道路交通的使用需要。本文主要探讨公路桥梁预应力加固设计方式，提出科学合理的设计方案，并且对现场施工环节进行全面管控，保证加工施工效果合格。在加固设计阶段，充分应用预应力筋加固施工技术，通过有限元分析的方式进行建模，从而保证结构的性能合格，不会给公路桥梁的施工效果带来任何影响。