□文 /王振宇

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋以其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在我國得到了迅速的發(fā)展，但是隨著其服役時(shí)間的增長，橋梁結(jié)構(gòu)性能的日益退化，承載能力會呈現(xiàn)一定程度的下降，預(yù)應(yīng)力有所損失，一般表現(xiàn)為梁體的開裂和下?lián)蟍1～2]。大量工程表明，體外預(yù)應(yīng)力加固法能有效抑制預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨中下?lián)稀⒘芽p開展[3～8]。但是由于其預(yù)應(yīng)力損失具體量值難以確定，加固預(yù)應(yīng)力配筋的數(shù)量及面積的確定成為了加固設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，加固后的效果驗(yàn)證是整個(gè)工程的重點(diǎn)。橋梁加固后，一般可以利用荷載試驗(yàn)檢驗(yàn)是否達(dá)到加固設(shè)計(jì)預(yù)期的效果[9]。本文以某公路橋梁加固工程為例，提出裂縫寬度試算法進(jìn)行加固預(yù)應(yīng)力束配筋設(shè)計(jì)，通過橋梁荷載試驗(yàn)來檢驗(yàn)橋梁加固的實(shí)際效果，為橋梁采用合理的加固方法提供良好的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某公路跨線立交橋其中一聯(lián)（8#墩～11#墩）維修加固工程為跨徑布置45 m+50 m+45 m大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁橫斷面為單箱四室，等高截面，梁高2.8 m，箱梁頂板寬21.25 m，底板寬16.074 m，翼板寬2 m，見圖1。

圖1 箱梁跨中橫截面

該橋設(shè)計(jì)荷載等級為公路-I級，預(yù)應(yīng)力箱梁設(shè)計(jì)為部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件，8#～9#墩箱梁在檢測過程中發(fā)現(xiàn)跨中出現(xiàn)底板橫向裂縫以及腹板豎向裂縫，同時(shí)跨中呈現(xiàn)一定程度的下?lián)?，不滿足規(guī)范[10]對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的要求；以設(shè)計(jì)荷載為控制荷載，對該孔跨進(jìn)行靜載試驗(yàn)，裂縫進(jìn)一步開展，橋梁實(shí)測撓度與應(yīng)力均大于計(jì)算值，試驗(yàn)結(jié)果不滿足評定規(guī)程[11]的要求，表明該橋承載能力不滿足公路-I級荷載標(biāo)準(zhǔn)。以上兩點(diǎn)已表明，該聯(lián)箱梁有效預(yù)應(yīng)力損失，剛度及承載能力下降，需要維修加固。

2 梁加固方法的確定

根據(jù)大跨徑混凝土梁橋的病害特點(diǎn)，橋梁加固目標(biāo)為改善橋梁的橋面線形，緩和跨中下?lián)?，提高承載能力，抑制裂縫擴(kuò)展。體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)受力明確、加固效果好、加固質(zhì)量可控，可以減少或限制結(jié)構(gòu)的裂縫和其他變形[12]。這是一種主動加固方式，其原理是利用體外預(yù)應(yīng)力對原構(gòu)件施加一定的初始應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下受力最不利截面具有一定的壓應(yīng)力儲備，結(jié)構(gòu)基本呈現(xiàn)彈性受力狀態(tài)[13]。

由于該聯(lián)為大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，梁高較高，考慮既要抑制梁體開裂和下?lián)?，又要提高箱梁剛度，最終確定8#～9#墩箱梁采用箱室植筋澆筑混凝土形成預(yù)應(yīng)力管道，施加體外預(yù)應(yīng)力束主動加固的方法。該加固方式的優(yōu)點(diǎn)是，由于預(yù)應(yīng)力與梁體有粘結(jié)作用，從而整體性好，預(yù)應(yīng)力能更加有效作用至梁體。

3 橋梁加固預(yù)應(yīng)力束配筋設(shè)計(jì)

體外預(yù)應(yīng)力加固原理就是彌補(bǔ)原有體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失，但難點(diǎn)是如何確定預(yù)應(yīng)力損失量，從而確定相應(yīng)的配筋量。

國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)及理論研究：徐棟等[14]通過試驗(yàn)分析了體外預(yù)應(yīng)力梁在整個(gè)加載過程中的反應(yīng)，編寫了有限元非線性分析程序，用來分析體外預(yù)應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)特性；牛斌等[15]通過試驗(yàn)建立了體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁在受彎情況下全過程非線性分析的計(jì)算方法和計(jì)算程序，提出了體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁在極限狀態(tài)下承載力的計(jì)算方法；張耀庭等[16～17]通過理論和試驗(yàn)相結(jié)合，對體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的極限承載力和短期撓度進(jìn)行了研究與分析并提出了一套相應(yīng)的理論計(jì)算公式。以上學(xué)者分別通過不同的角度探索了體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的計(jì)算與分析方法，為體外預(yù)應(yīng)力的發(fā)展提供了理論依據(jù)。

本工程以預(yù)應(yīng)力開裂損傷的重要參數(shù)——裂縫寬度為研究對象，通過模擬預(yù)應(yīng)力失效，計(jì)算裂縫寬度，與實(shí)際裂縫寬度進(jìn)行對比驗(yàn)證，來確定預(yù)應(yīng)力的損失量，從而完成預(yù)應(yīng)力加固配筋設(shè)計(jì)。相對于其他設(shè)計(jì)方法，該方法直觀有效，簡單可行，易推廣。

以本工程為例，采用裂縫寬度試算法計(jì)算加固預(yù)應(yīng)力束配筋過程如下：

1）采用Midas/civil建立箱梁原設(shè)計(jì)狀態(tài)下的模型，對其按預(yù)應(yīng)力B類構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算；

2）通過逐步對稱減少模型中預(yù)應(yīng)力鋼束，計(jì)算出在設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下箱梁模型裂縫寬度并與實(shí)際裂縫寬度進(jìn)行對比，當(dāng)模型裂縫寬度接近實(shí)際裂縫寬度時(shí)，不再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失的模擬；

3）在第二步基礎(chǔ)上，再模擬加固混凝土（體外預(yù)應(yīng)力管道）重量的作用，得出預(yù)應(yīng)力損失以及后期加固混凝土重量作用下的裂縫寬度；

4）通過模型計(jì)算，箱梁在減少8束12φS15.2 mm預(yù)應(yīng)力筋后，裂縫寬度接近實(shí)際裂縫寬度（0.16 mm），加固混凝土作用下的裂縫寬度為0.02 mm，則本次加固預(yù)應(yīng)力配筋的目標(biāo)裂縫寬度為0.18 mm，即通過加固預(yù)應(yīng)力筋使得在第三步基礎(chǔ)上的模型裂縫寬度為0；

5）通過裂縫寬度試算法計(jì)算以及實(shí)際預(yù)應(yīng)力束規(guī)格的要求，同時(shí)考慮施工張拉對稱性，得出在8#～9#墩箱室內(nèi)應(yīng)補(bǔ)充16束7φS15.2 mm無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束，配筋設(shè)計(jì)試算過程見圖2。

圖2 利用裂縫寬度法試算進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)過程

在8#～9#墩箱室內(nèi)底板植筋，澆筑混凝土形成預(yù)應(yīng)力管道，最后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束張拉，見圖3和圖4。

加固過程中新舊混凝土施工注意事項(xiàng)：新澆筑混凝土采用自密實(shí)混凝土；箱梁底板進(jìn)行鑿毛，紋理均勻、潔凈、無雜質(zhì)，涂刷新舊混凝土界面處理劑，增強(qiáng)新老混凝土的結(jié)合；植筋采用橋梁專用改性環(huán)氧膠粘劑并且現(xiàn)場進(jìn)行抗拉拔試驗(yàn)合格后才能澆筑新混凝土。

圖3 8#～9#墩箱梁加固縱斷面

圖4 8#～9#墩箱梁加固橫斷面

4 加固效果驗(yàn)證

為進(jìn)一步了解掌握該聯(lián)箱梁加固前后的承載能力，為加固設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)驗(yàn)證加固后箱梁承載能力是否提高，在加固前后分別對該聯(lián)箱梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。根據(jù)評定規(guī)程要求選擇控制截面，其中以8#～9#墩箱梁跨中最大正彎矩為控制截面；控制荷載標(biāo)準(zhǔn)均為原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)公路-I級，試驗(yàn)效率滿足規(guī)范要求；前后兩次荷載試驗(yàn)加載重量一致。

4.1 撓度測試結(jié)果

在8#～9#墩箱梁L/4、跨中、3L/4布置撓度測點(diǎn)，加固前后兩次荷載試驗(yàn)實(shí)測撓度值與理論計(jì)算值對比見表1，縱橋向撓度曲線對比見圖5。

表1 加固前后8#～9#墩箱梁荷載試驗(yàn)撓度實(shí)測值對比 mm

圖5 加固前后8#～9#墩箱梁荷載試驗(yàn)撓度實(shí)測值對比

由表1和圖5可知，各測點(diǎn)加固后實(shí)測撓度值小于理論值，結(jié)果滿足評定規(guī)程要求，表明該橋承載能力滿足公路-I級荷載標(biāo)準(zhǔn)；各測點(diǎn)的加固后實(shí)測撓度值比加固前實(shí)測撓度值明顯降低，其中跨中截面撓度值降低了50%左右，由于結(jié)構(gòu)撓度與剛度成反比，表明加固后結(jié)構(gòu)剛度大幅度提高，這是因?yàn)橐环矫婕庸毯蠼Y(jié)構(gòu)截面底板變厚，另一方面預(yù)壓力作用使箱梁加固后剛度比之前開裂剛度有所改善。

4.2 裂縫觀測結(jié)果

在8#～9#墩箱梁跨中截面選取典型腹板豎向裂縫及底板橫向裂縫的寬度進(jìn)行觀測，加固前后兩次荷載試驗(yàn)裂縫寬度觀測數(shù)值對比見表2。

表2 加固前后8#～9#墩箱梁荷載試驗(yàn)裂縫觀測對比 mm

由表2可知，由于體外預(yù)應(yīng)力束作用，加固后底板裂縫的初始寬度閉合，腹板裂縫的初始寬度閉合了0.18 mm；加固前在加載作用下，裂縫寬度增大，卸載后恢復(fù)原寬度；加固后在加載作用下，裂縫寬度未發(fā)生變化。由此說明8#～9#墩箱梁在進(jìn)行加固后，裂縫在荷載作用下的開裂受到了明顯的限制。

綜合荷載試驗(yàn)撓度和裂縫的觀測結(jié)果，8#～9#墩箱梁通過體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的加固方式，減小梁體變形，抑制裂縫開展，不僅提高了橋梁結(jié)構(gòu)的剛度及承載能力并使橋梁的使用功能及耐久性均得到了有效的補(bǔ)充。

同時(shí) 9#～10#墩、10#～11#墩箱梁在 8#～9#墩箱梁加固前后荷載試驗(yàn)結(jié)果一致，表明8#～9#墩的加固方法未改變原結(jié)構(gòu)體系，不影響其他孔跨的受力特性。

5 結(jié)論

1）本文中提出的裂縫寬度試算法可以有效的指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁開裂損傷后加固預(yù)應(yīng)力束的配筋設(shè)計(jì)并且簡單可行。

2）通過荷載試驗(yàn)表明，對于大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的主動加固方式能有效地提高橋梁的承載能力，能限制裂縫的開展，提高橋梁結(jié)構(gòu)的使用功能和耐久性。

[1]苗戰(zhàn)濤.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋開裂損傷過程的力學(xué)性能分析[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[2]劉會超.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋加固技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2015.

[3]崔金燦.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋預(yù)應(yīng)力損失對長期撓度的影響[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2013.

[4]石雪飛，陳 輝，沈炯偉.已下?lián)线B續(xù)梁橋加固方案研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，23（1）:1-5.

[5]陳 澤，周科文，廖勇剛.大跨徑連續(xù)梁橋病害成因分析及加固設(shè)計(jì)[J].公路，2013（1）:44-48.

[6]El-Ariss B.Stiffness of Reinforced Concrete Beams with External Tendons[J].Engineering Structures the Journal of Earthquake Wind&Ocean Engineering，2004，26（14）:2047-2051.

[7]Chen S.Experimental Study of Prestressed Steel-concrete Composite Beamswith External Tendons for Negative Moments[J].Journal of Constructional Steel Research，2005，61（12）:1613-1630.

[8]Chen S，Gu P.Load Carrying Capacity of Composite Beams Prestressed with External Tendonsunder Positive Moment[J].Journalof Constructional Steel Research，2005，61（4）:515-530.

[9]陳一寧.通過荷載試驗(yàn)檢驗(yàn)橋梁的加固效果[J].北方交通，2015（3）:36-38.

[10]JTGD 62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[11]JTG/TJ 21—2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[12]許宏元，宋 寧，陳常明，等.大跨徑混凝土梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，30（S2）:1192-1196.

[13]曹農(nóng)江，趙 峰，龔書林，等.橋梁上部結(jié)構(gòu)的加固維修方法綜述[J].公路工程，2007，32（5）:139-142.

[14]徐 棟，項(xiàng)海帆.體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁非線性分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2000，28（4）:402-406.

[15]牛 斌.體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁極限狀態(tài)分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000，33（3）:7-15.

[16]邱繼生，張耀庭，黃恒衛(wèi).體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁短期撓度的計(jì)算[J].特種結(jié)構(gòu)，2003，20（1）:34-37.

[17]黃恒衛(wèi)，張耀庭，邱繼生.體外預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁正截面極限承載力[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)，2003，20（1）:68-71.