王浩陽

（河北高速公路集團有限公司大廣分公司饒陽養(yǎng)護班組，河北 石家莊 050000）

0 引言

近年來，大跨度PC連續(xù)梁橋因跨度大、線性平穩(wěn)而被廣泛應用。然而，大跨度PC連續(xù)梁橋的缺點在運營過程中也逐漸顯現(xiàn)出來，如梁體下?lián)?、主梁裂縫等。上述大跨度PC連續(xù)梁橋病害通常采用體外預應力加固的方式進行解決[1]。本文以某公路一座大跨度PC連續(xù)梁橋體外預應力加固項目為研究背景，詳細地調查了橋梁的病害及運營狀況，提出了具體加固方案，并對加固效果采用有限元模擬軟件進行評價，可為后續(xù)同類橋梁加固提供參考依據(jù)。

1 工程概況

本文以某公路一座PC連續(xù)梁橋的加固設計項目為研究背景，該橋主跨橋墩采用實體板式墩，邊跨橋墩采用雙柱式墩，橋墩基礎均采用鉆孔灌注樁。橋跨布置為60m+110m+60m，橋梁全長230m。橋梁主梁截面設計形式為變截面連續(xù)梁，橋面線性在設置雙向縱坡的同時又增加了2%的橫坡，本橋的支座均采用盆式支座。該橋設計荷載等級為公路-Ⅰ級。橋梁立面圖、懸臂施工梁段劃分圖及主梁截面圖如圖1～圖3所示。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 懸臂施工梁段劃分圖

圖3 主梁截面圖（單位：cm）

2 橋梁現(xiàn)狀

從公路養(yǎng)護部門得知該橋建于2016年4月，并于2017年11月通過竣工驗收。橋梁通車運營后打通了該省道的交通節(jié)點，因其連接著附近的港口、砂石料場、大件運輸企業(yè)等，交通流量較大，且多為重載車輛。橋梁建成通車運營4年后，發(fā)現(xiàn)主梁存在大量裂縫，且梁體嚴重下?lián)稀?/p>

2.1 橋梁病害調查

橋梁檢測機構對該橋進行了詳細的外觀檢查，同時結合橋梁的荷載試驗對其進行了承載能力綜合評定。經(jīng)過外觀檢測主要發(fā)現(xiàn)，箱梁底板、頂板、腹板均存在大量裂縫，寬度為0.12～0.35mm。通過線性測量發(fā)現(xiàn)，實測高程與設計高程最大偏差約為30mm，梁體下?lián)犀F(xiàn)象較為嚴重[2-3]。具體裂縫病害見表1。

表1 橋梁裂縫病害統(tǒng)計表

2.2 橋梁運營狀況

通過現(xiàn)場對該橋運營現(xiàn)狀的長期觀察，得知其交通流量較大且多為重載大貨車，長期處于超負荷運行狀態(tài)。為進一步了解橋梁運營期間車輛荷載作用現(xiàn)狀，選取一天中8:00—20:00進行觀測統(tǒng)計車輛。研究結果表明，在該調查時間段內(nèi)，橋上通行約11 286輛車，其中載重汽車與罐車占比為63%，小汽車占比33%，大客車占比4%。根據(jù)該橋附近超限檢測站的數(shù)據(jù)得知，該路線行駛的車輛存在部分超載車輛。從相關參考文獻可以得知，超載車輛上橋行駛將會嚴重危害橋梁運行安全，極大地降低橋梁實際承載能力[4]。

3 體外預應力加固

通過上文可知，該大跨度PC連續(xù)梁橋的主要病害為主梁裂縫、梁體下?lián)稀＿M一步對橋梁的上述病害結合承載能力評定進行分析研究，得知橋梁的實際剛度能夠滿足設計要求，但有效預應力已不滿足設計要求。通過承載能力驗算可知，橋梁在承載能力極限狀態(tài)下可滿足要求，但在正常使用極限狀態(tài)已不滿足要求。為滿足橋梁正常使用要求，本橋采取以體外預應力加固為主，其他措施為輔的加固維修方式。體外預應力加固主要基于在原梁體結構上增加體外索，對既有結構主動施加應力，以改善結構受力的一種方法[5～6]。

3.1 加固方案

為滿足橋梁體外預應力加固后正常運營，在加固前先對主梁各截面位置處的裂縫進行處理，通常情況下，當裂縫寬度小于0.15mm時，采用表面封閉的處理措施；當裂縫寬度大于0.15mm時，采用水泥漿灌封的處理方法。為限制箱梁頂板縱向裂縫的發(fā)展，在裂縫處粘貼碳纖維布進行加固處理，同時對腹板裂縫處進行粘貼鋼板加固處理[7]。

3.1.1 體外預應力束面積估算

大跨度PC連續(xù)梁橋體外預應力加固首先要對加固結構所需的體外預應力束面積進行估算，根據(jù)相關參考文獻計算體外預應力束面積估算按公式（1）進行計算。

式（1）中：St為體外預應力束面積；φ為體外縱向預應力折減系數(shù)；Sn為控制截面底板或頂板體內(nèi)縱向預應力筋面積設計值；σpe為體內(nèi)縱向預應力筋張拉控制應力；en為控制截面底板或頂板體內(nèi)預應力筋距離截面中性軸平均距離；σtpe為體外預應力筋張拉控制應力；et為控制截面體外預應力束距離截面中性軸平均距離。

該橋中跨跨中截面底板有24束14?15.2的鋼絞線，面積為47 040mm2；體內(nèi)預應力筋張拉控制應力為1 302MPa；體內(nèi)縱向預應力筋折減系數(shù)為0.15；體外預應力筋張拉控制應力為1 116MPa，截面底板體內(nèi)預應力筋距離截面中性軸平均距離為1 310mm，體外預應力束距離截面中性軸平均距離為1 050mm。由公式（1）計算得出所需體外預應力束面積為10 270mm2。

該橋邊跨截面底板有12束14?15.2的鋼絞線，面積為23 520mm2；體內(nèi)預應力筋張拉控制應力為1 302MPa；體內(nèi)縱向預應力筋折減系數(shù)為0.15；體外預應力筋張拉控制應力為1 116MPa，截面底板體內(nèi)預應力筋距離截面中性軸平均距離為1 310mm，體外預應力束距離截面中性軸平均距離為710mm。由公式（1）計算得出所需體外預應力束面積為7 594mm2。

3.1.2 體外預應力束設計

根據(jù)體外預應力束的上述相關計算參數(shù)值及橋梁實際情況，最終選取4束17?15.2環(huán)氧涂層鋼絞線成品索進行體外加固。體外預應力布置形式為全跨通長，線性采用折線形，張拉方式為兩端對稱張拉，預應力筋張拉控制應力為1 116MPa[8]。

通過外觀病害調查得知該橋的邊跨合龍位置處頂?shù)装寮爸锌缈缰形恢锰庬數(shù)装寰嬖诖罅苛芽p，因此本次在體外預應力加固時將邊跨的轉向裝置設在距離支點0.52L位置處，將中跨的轉向裝置設置在距離支點0.25L位置處。轉向裝置采用豎向轉向肋，轉向器采用整束式轉向器。每隔10m設置定位裝置，避免自振頻率相近產(chǎn)生共振的安全隱患。

3.2 加固效果分析

3.2.1 加固后有限元模型建立

根據(jù)體外預應力加固后的橋梁現(xiàn)狀建立有限元模型，在有限元分析時考慮橋梁的實際情況，體內(nèi)縱向預應力在原設計值上按照15%進行折減，同時豎向預應力按照全部失效進行考慮。因該橋梁為舊橋加固，在計算體外預應力損失時無需考慮混凝土收縮徐變引起的預應力損失。在進行分析時應考慮因體外索張拉原梁體結構體內(nèi)預應力因彈性壓縮引起的預應力損失，除汽車荷載按實際情況進行取值修正外，其他參數(shù)按設計值計算，體外預應力加固后的有限元模型如圖4所示。

圖4 體外預應力加固后的有限元模型圖

3.2.2 加固后橋梁整體驗算

通過檢測機構對該橋橋梁荷載試驗及承載能力檢算，得知該橋的實際承載能力可以滿足設計要求，但是在正常使用狀態(tài)下抗裂性不能滿足設計要求。為驗證橋梁加固后的整體效果，對加固后的橋梁抗裂性能進行了進一步驗證分析（見表2、表3），同時對加固后橋梁混凝土的壓應力也進行了檢算（見表4）。

表2 加固后橋梁結構正截面抗裂驗算 單位：MPa

表3 加固后橋梁結構斜截面抗裂驗算 單位：MPa

通過對體外預應力加固后的橋梁正截面、斜截面抗裂性驗算，表明體外預應力加固技術可以明顯提高老舊橋梁的抗裂性，加固后橋梁抗裂性滿足規(guī)范設計要求。

表4 加固后橋梁結構正截面混凝土抗壓驗算 單位：MPa

通過對體外預應力加固后的橋梁正截面混凝土抗壓驗算，表明體外預應力加固技術可以明顯改善橋梁的整體受力性，加固后橋梁正截面混凝土抗壓滿足規(guī)范設計要求。同時，由理論撓度計算得知，加固后將會使橋梁中跨跨中上撓5mm，可緩解原結構嚴重下?lián)系膯栴}。

4 結語

本文基于某大跨徑PC連續(xù)梁橋的體外預應力加固為研究背景，詳細介紹了大跨徑PC連續(xù)梁橋病害及運營現(xiàn)狀。同時結合橋梁現(xiàn)狀提出了詳細的加固設計方案，最后通過有限元分析軟件對體外預應力加固效果進行研究。研究結果表明，體外預應力加固技術能明顯提高橋梁抗裂性恢復橋梁結構正常使用功能。