李學豐

（中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

隨著公路橋梁服役時間的延長，受橋梁交通量不斷增長的影響，橋梁結構安全性能有所下降，亟須采取橋梁加固技術措施，恢復原橋梁設計的技術指標。在橋梁加固設計中，需要針對橋梁不同部位出現(xiàn)的病害采用多種加固方法，尋求最佳的加固設計方案。本文重點針對主梁和橫隔梁加固部位，分析預應力鋼絲繩加固設計和加大截面加固設計方法。

1 工程概況

某公路橋梁工程為鋼筋混凝土簡支T梁橋，跨徑為20m，上部結構T梁共5片，翼板寬為1.6m，腹板寬為0.18m，受壓鋼筋為HRB400鋼筋和HRB335鋼筋，HRB400鋼筋直徑為22mm，共2根。HRB335鋼筋直徑為28mm，共10根。箍筋采用R235鋼筋，直徑為8mm，箍筋間距為14cm，在橋梁的端部使用四肢箍筋，跨中使用雙肢箍筋。橋梁工程在多年使用后出現(xiàn)病害，需進行加固改造，以保證橋梁結構安全性。本工程加固設計方案為：主梁采用預應力鋼絲繩外包聚合物砂漿加固設計；橫隔梁采用加大截面加固設計；翼板接縫采用現(xiàn)澆混凝土濕接縫處理方法。

2 公路橋梁預應力加固設計

2.1 高強預應力鋼絲繩加固設計

2.1.1 原主梁加固設計計算

（1）根據(jù)預應力鋼絲繩標準強度、張拉控制應力計算預應力損失，體外預應力筋因轉向和錨固摩擦產(chǎn)生的預應力為23.33MPa[1]；因錨具變形、接縫引起的腹板和底板預應力損失分別為42.026MPa、40.625MPa；因鋼筋松弛引起的腹板、底板預應力損失分別為81.60MPa、81.85MPa。

（2）計算有效預應力，扣除上述預應力損失，計算值為852.794MPa；預應力度取值0.35，預應力鋼絲繩的總預拉力為506.16kN，鋼絲繩截面積為593.53m2，計算得出鋼絲繩根數(shù)為48根。

（3）在加固設計中，計算梁跨中正截面極限抗彎承載力值，為2 840.32kN·m，滿足加固設計規(guī)范要求；計算斜截面極限抗彎承載力，計算結果為685.27kN，滿足加固設計規(guī)范要求。

2.1.2 預應力布置形式

在腹板設置12根高強預應力鋼絲繩，采用兩段張拉設計，在原T梁上固定錨塊和轉向塊，用高強螺栓固定，張拉后將聚合物砂漿包裹到預應力鋼絲繩外部[2]；底板分兩層各設置48根高強預應力鋼絲繩，采用單端張拉設計，一端為P錨，另一端為張拉端。

2.1.3 端部錨具設計

根據(jù)鋼絲繩所受拉力設計張拉端部錨具尺寸，在不考慮鋼絲繩孔道凈截面積的基礎上，保證錨具尺寸達到鋼絲繩拉力要求；根據(jù)加固設計中預應力鋼絲繩根數(shù)確定錨具截面尺寸；腹板錨具尺寸與底板張拉端的錨塊構造形式相同[3]。

2.1.4 預應力加固有限元分析

（1）采用ANSYS有限元分析軟件對預應力混凝土結構建模，假定鋼筋混凝土符合平截面要求、不考慮鋼筋受剪作用、鋼筋混凝土無相對移動、新舊混凝土黏結面牢固；根據(jù)理想彈塑性確定鋼筋極限拉應變值，取值為0.01。

（2）采用ANSYS模擬預應力索，模擬方法為等效荷載法，不用考慮預應力筋位置分布情況，建模步驟為：利用ANSYS完成混凝土建模、體外預應力筋建模，分別劃分有限元網(wǎng)格；選取模型中預應力筋的端點和轉折點，將其與混凝土單元節(jié)點耦合；對節(jié)點施加預應力荷載，程序自動計入混凝土結構與預應力鋼筋的相互作用力[4]。

（3）本工程的整橋有限元計算結果為：C30、C50混凝土彈性模量分別取值3.0×104、3.45×104，共劃分為114 000個單元映射網(wǎng)格；加固前，橋梁最大撓度為19.292mm，處于橋梁跨中處。加固后橋梁形成反拱，最大撓度為4.979mm，處于主梁跨中處?？梢姡髁杭庸绦Ч黠@；在加固前，縱橋向最大壓應力和最大拉應力分別為8.478MPa、13.571MPa，大于C30混凝土極限拉應力，易出現(xiàn)橋梁結構破壞。在加固后，縱橋向全截面都在受力狀態(tài)，最大拉應力降至1.572MPa，在C30混凝土的抗拉應力允許值范圍內(nèi)。

（4）本工程加固錨具的有限元計算結果為：腹板錨具在預應力荷載作用下的最大主應力為106.451MPa，最大變形為0.012mm，小于Q235鋼材屈服強度值；底板端錨最大主應力為141MPa，最大變形小于0.1mm，小于Q235鋼材屈服強度值?？梢姡^具的錨固效果明顯。

2.2 增大截面法加固設計

2.2.1 加固設計要點

（1）根據(jù)加固構件的尺寸、受力特點、加固目的等因素，確定截面增大加固形式，包括單層加固設計、雙側加固設計、三側加固設計、四周外包加固設計；根據(jù)鋼筋間距、保護層的構造特點，確定截面增大的尺寸[5]。

（2）增大截面加固采用強度不小于C20的普通混凝土，本工程采用鋼筋纖維混凝土加固設計，配備鋼筋、型鋼和鋼板等鋼材。

（3）新澆混凝土厚度設計值不小于4cm，噴射混凝土厚度設計值不小于5cm；混凝土材料選用堅硬碎石，最大粒徑不得超過2cm。

（4）縱向受力鋼筋、封閉式箍筋直徑分別不小于12mm、8mm，根據(jù)原有鋼筋直徑確定U型鋼筋直徑。

（5）在加固設計中，原構件受力鋼筋與加固鋼筋的凈距離控制在2cm以內(nèi)，用焊接方式連接短筋，使加固后的構件與原構件共同受力[6]；采用短筋焊接加固受力筋時，短筋直徑不小于2cm，中距控制在50cm以內(nèi)。

（6）在混凝土圍套加固中設計封閉箍筋，采用U形箍筋，將其焊接到原箍筋上，雙面焊縫面積為箍筋直徑的5倍。

2.2.2 加固設計理論

（1）加固后的橫隔梁截面為組合截面，與原橫隔梁結構相比存在一定差異。在加固結構受力中，剪力和拉力是主要受力形式，通過新舊混凝土的黏結強度承擔受力，使得黏結面成為加固結構的薄弱環(huán)節(jié)[7]。在設計中，需布設錨固件，將新舊結構連接起來，保證結合面?zhèn)髁τ行А?/p>

（2）加固厚度設計對鋼筋混凝土梁的承載力會產(chǎn)生直接影響，加固厚度較大，會增加橫隔梁自重，降低加固效率。加固厚度較小，會使加固后的鋼筋無法達到預期的承載力要求。因此，加固厚度要根據(jù)新澆混凝土是否處于受壓區(qū)而定，充分發(fā)揮出新澆混凝土層的加固作用。

（3）根據(jù)工程實例研究證實，采用噴射法處理舊混凝土表面，能夠使混凝土表面達到較為理想的粗糙程度，減少機械鑿毛處理對結合面的擾動，提高新舊混凝土的黏結性能，進而提高加固部位的受力性能[8]。本工程采用噴射法處理結合面。

2.2.3 設計分析

本工程對橫隔梁加固采用增大截面法，具體設計步驟如下：

（1）采用實體建模方式分析鋼筋和新舊混凝土數(shù)據(jù)，原橋梁采用C30混凝土，加固中采用C50混凝土，加固鋼筋選用HRB335級鋼筋，縱筋與箍筋直徑分別為16mm、12mm。

（2）采用SOLID45單元模擬混凝土，采用PIPE20單元模擬鋼筋，固結橫隔梁兩端，對橫隔梁施加荷載，生成加固后橫隔梁透視圖、邊形圖、主應力分布圖，將其與加固前橫隔梁變形量、主應力分布情況經(jīng)對比，結果為：在相同荷載作用下，加固后橫隔梁的最大拉應力由加固前的0.316MPa、0.036MPa下降到0.099MPa、0.007MPa；加固后橫隔梁的最大位移由加固前的0.003 98mm降至0.000 95mm?？梢?，采用增大截面加固設計能夠顯著提升橫隔梁承載力。

2.3 橋梁預應力加固技術要點

2.3.1 預應力鋼絲繩加固技術

在橋梁加固工程中，可以采用預應力鋼絲繩加固技術，為使該技術的作用得以充分發(fā)揮，應掌握相關的技術要點，具體如下：

（1）對待加固的梁板表面上的劣化混凝土加以清除，使新的混凝土外露，銹蝕的鋼筋要做除銹處理，使用環(huán)氧砂漿修補不平的部位，以灌漿的方法，封閉寬度大于0.15mm的裂縫，為確保灌漿質(zhì)量，可將優(yōu)質(zhì)的環(huán)氧灌縫膠作為首選；以表面封閉的方法，對寬度小于0.15mm的裂縫加以處理，并將粘貼鋼板部位的混凝土鑿除1.0cm左右，用專用的粘鋼膠粘貼鋼板，再以高強螺栓錨固鋼板，確保穩(wěn)固。

（2）依據(jù)鋼絲繩的根數(shù)及其能承受的拉力荷載，對端部錨具及轉向塊設計制作，為便于張拉錨固作業(yè)的開展，將外側做成開口的形式，開口比鋼絲繩的直徑略寬60.5mm[9-11]。可按照焊接的需要確定錨具的厚度，并依據(jù)鋼絲繩承受的拉力確定錨具的寬度，以梁底的寬度確定錨具的長度。當錨具與轉向塊根據(jù)設計要求全部制作完畢后，可以采用焊接的方法，將之固定在鋼板上。

（3）依據(jù)設計要求，在現(xiàn)場對梁段底板測量放線，準確確定出端部錨具與轉向塊的中心線位置[12]。將錨座安裝在梁底，并將轉向塊安裝在梁中心線沿跨度方向的刻槽內(nèi)，刻槽深度以錨固鋼板能夠嵌入為準，這樣能夠使梁底與鋼絲繩之間貼合得更加緊密。對刻槽處打磨，使其形成粗糙的表面，按設計圖紙中給出的位置鉆設植筋孔，并向孔內(nèi)植入全螺紋錨桿。隨后對錨固鋼板的粘貼面全面打磨，并將預先準備好的粘鋼膠均勻涂抹在打磨好的鋼板表面及混凝土面上，按預定位置粘貼鋼板，貼好后緊固螺母，使鋼板固定。

（4）鋼絲繩要嚴格按照設計圖紙給出的尺寸下料，下料長度可以通過工作應力計算結果加以確定[13]。在腹板底面上，布設兩層鋼絲繩，每層12根，并在腹板兩側各布設12根鋼絲繩。安裝好梁底錨座后，以同規(guī)格的鋼絲繩作為基準鋼絲，按張拉控制應力與引伸量的關系，對鋼絲繩在無應力狀態(tài)下的下料長度精確確定。可在拉緊但無應力的狀態(tài)下對鋼絲繩下料，誤差控制在±3.0mm以內(nèi)；在端部將鋼絲繩彎折為雙股，穿入擠壓錨頭的內(nèi)孔中，用專門設計的擠壓模具和機械，完成強力擠壓，使錨頭與鋼絲繩壓為一體。

（5）將鋼絲繩的一端穿入錨具的開口內(nèi)，張拉另外一端，當張拉的長度滿足錨具間距的要求時，可直接將鋼絲繩從錨具的開口處嵌入，隨后錨固擠壓錨頭。張拉過程中，應遵循對稱的原則，從中間向兩側對稱張拉，避免結構在張拉力的作用下產(chǎn)生扭曲、側彎等問題，兩側鋼絲繩的數(shù)量差最多不得超過3根。張拉時，應對每根鋼絲繩的張拉應力密切關注，防止拉應力過大或是過小。螺栓植入混凝土的深度應達到7.0cm以上，鉆設植筋孔時，要避開主筋。

2.3.2 加大截面加固技術

（1）為使新舊混凝土之間的結合更加緊密，可對原結構中的混凝土缺陷加以處理，使其露出密實的部分，隨后對混凝土構件表面鑿毛，可以鑿成深度為6.0mm左右的溝槽，間距控制在200mm以內(nèi)，不得超過箍筋的間距。采用多面外包加固的方法時，要在加固前將加固構件的棱角全部敲掉。

（2）對受力鋼筋除銹，若是條件允許，則可在受力鋼筋施焊前，通過卸荷或是支頂措施，逐根焊接，這樣能夠減少鋼筋熱變形，降低對結構承載力的影響。沖洗混凝土表面，去除污物和灰塵，新混凝土澆筑前，應對原混凝土表面用界面劑處理，增強新舊混凝土的結合性。

（3）外包加固要采取相應的措施，確保模板搭設、鋼筋安放及混凝土澆筑質(zhì)量合格，從而使混凝土達到密實。澆筑混凝土后，要按照規(guī)范要求養(yǎng)護，時間不少于14d，養(yǎng)護后，能夠降低早期開裂的產(chǎn)生概率[14]。

3 結語

本工程預應力的布置形式是在腹板設置12根高強預應力鋼絲繩，采用兩段張拉設計，在原T梁上固定錨塊和轉向塊，用高強螺栓固定，張拉后將聚合物砂漿包裹到預應力鋼絲繩外部；底板分兩層各設置48根高強預應力鋼絲繩，采用單端張拉設計，一端為P錨，另一端為張拉端。

公路橋梁加固要充分考慮原橋梁使用性能采用技術可行、經(jīng)濟合理的加固設計方案，提高整座橋梁的承載能力[15]。在加固設計中，合理采用預應力筋加固技術，借助ANSYS有限元計算程序對加固設計方案建模分析，優(yōu)化預應力布置和端部錨具設計，以保證預應力加固效果。