李 辉

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

某高速公路(86+160+86)m预应力混凝土连续刚构桥，左右线分幅设置，每幅均采用单箱单室直腹板箱形截面。箱梁顶板宽15.75 m，底板宽8.1 m;跨中梁高2.5 m，腹板厚0.5 m，底板厚0.3 m;根部梁高9.0 m，腹板厚0.7 m，底板厚1.0 m。刚构主墩采用双肢薄壁墩，厚度1.5 m，墩高分别为17 m和22 m。边墩采用板式墩，厚度2.0 m。全桥立面形式见图1。

图1 全桥立面(单位:m)

本桥箱梁采用三向预应力体系。

该桥经过5年多运营后，出现桥面下挠现象。并在随后的外观检查中发现刚构中跨跨中区域梁体底板及腹板开裂严重，中跨跨中底板横向裂缝宽度在0.15～0.3 mm，最大裂缝宽达0.5 mm;腹板出现斜裂缝，主要分布在边跨现浇合龙段和中跨(0.3～0.45)L、(0.55～0.70)L位置，最大裂缝宽0.45 mm;中跨跨中最大下挠度20 cm左右。

2年后再次对梁体进行了外观检测。根据最新检测报告，在左幅桥一侧墩顶箱室内发现了1条横向通长裂缝，裂缝最大宽度为0.8 mm;其他墩顶箱室的倒角位置均存在较短的纵向及横向裂缝，部分裂缝向顶板或腹板延伸，裂缝长度在0.5～1.5 m，裂缝宽度在0.25 mm以内。跨中挠度进一步增加3～5 cm;中跨跨中附近底板裂缝宽度进一步扩展、长度继续延伸;边跨及中跨的腹板斜裂缝也存在扩展与延伸。

特别引起关注的是主墩墩顶部位的梁体裂缝，这种裂缝在同类桥梁结构中比较罕见，说明本桥已严重偏离设计状态，桥梁的承载能力严重降低。因此，需立即对该连续刚构进行加固。

2 病害原因分析与加固思路

目前，对于造成刚构桥上述病害的确切原因尚需进一步验证，但针对本桥具体情况并结合国内外的其他出现质量问题的预应力连续刚构桥，可以初步认定以下几个主要原因:

(1)本桥为附近港口大型货运车辆进出城市的唯一通道，每天车流量在10万辆、大型超载车辆在2万辆左右，超载严重，引起并加速、加剧了病害的发展［1］;

(2)竖向预应力损失过大引起主拉应力超限，从而导致混凝土腹板出现斜裂缝［2］，经统计此项病害已出现在国内多座建成通车的连续刚构桥中;

(3)节段悬浇工期过短，徐变变形、全桥纵向预应力损失大，导致结构预应力度大幅降低［3］，造成跨中下挠及腹板、下翼缘板开裂。

本桥为悬臂现浇施工的预应力混凝土连续刚构桥，中墩墩顶主梁负弯矩区是全桥的关键受力部位。针对全桥纵向预应力损失及徐变变形过大、主拉应力超限这两个病害的主因，加固的重点应放在通过施加体外预应力钢束来恢复全桥的纵向预应力上，同时对裂缝发展严重部位或由于施加体外预应力而引起强度不足的部位采取粘贴钢板等措施补强，限制裂缝发展，提高箱梁结构的承载能力。

3 加固设计

3.1 包络设计原则

由于本桥病害严重，桥梁结构的真实状态难以检测，为确保结构安全，按以下3种可能的极端状态进行包络设计:

状态一，桥梁全部纵向预应力筋处于设计状态;

状态二，根据其他类似桥梁加固设计经验，考虑全桥纵向预应力损失10%～15%;

状态三，中跨跨中底板预应力钢束应力损失一半，其余纵向预应力损失5%。

3.2 采用的加固技术

(1)体外预应力加固法

将体外预应力技术应用于连续刚构桥的加固，为提高连续刚构桥承载能力提供了较好的解决途径。体外预应力的施加会使箱梁断面混凝土的压应力储备增加，对裂缝的产生和发展起到抑制作用，同时会提高结构的承载能力［4］。

本桥加固设计中每幅桥共布置26束体外束，其中通长束4束、中跨束6束，中支点短束每侧各8束，具体布置形式见图2。体外束均为两端张拉。中支点短束采用12-7φ5钢绞线，通长束和中跨束采用31-7φ5钢绞线。其中通长束单根长336 m，锚下控制张拉力4 440 kN。

图2 体外预应力钢束布置

体外预应力钢束采用外加PE护套的环氧涂层钢绞线，钢绞线的抗拉强度标准值为1 860 MPa，弹性模量为1.90×105MPa，锚下张拉控制应力为预应力筋采用分级张拉，每级张拉力不超过总张拉力的25%。

体外预应力筋为空间曲线，其转向通过转向器实现，锚固通过锚固块实现。为防止桥面行车引起钢束过大振动，沿体外索纵向每隔8 m左右设置1道防振限位装置。

为方便与原结构的连接，所有锚固装置和转向装置均采用混凝土结构，通过植筋的方式与原梁体结构结合在一起共同受力。考虑箱内空间狭小，振捣困难，本加固工程所用混凝土均采用自密实补偿收缩混凝土［5～6］。

由于本桥预应力筋张拉力较大，通过局部应力分析可知在锚固区域会产生非常大的局部应力。为保证结构安全可靠，设计中在局部细节构造上做如下处理。

①端隔板。体外索中有4束通长束锚固于梁端横隔板处。为保证体外预应力可靠传递，在端横隔板后箱梁内侧植筋，加浇1.25 m厚C50自密实混凝土。

②顶板锚固区。顶板锚块位置局部应力较大，为避免锚后区混凝土开裂，将锚后2.5 m范围内顶板、腹板局部加厚。

③中支点短束锚固区。中支点短束锚固位置受力较为复杂，为增加锚固可靠性，减少顶板局部应力，在锚固处增设1 m厚横隔板。

(2)粘贴(灌注)钢板加固法

采用环氧树酯系列粘结剂将钢板粘贴(灌注)在钢筋混凝土结构物的受拉缘或薄弱部位，使之与原结构物形成整体共同受力，以提高其刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，从而达到加固补强、提高桥梁承载能力的目的［7］。

主要应用于中跨跨中底板开裂区和中跨跨中及边跨梁端腹板开裂区。

(3)增大截面加固法

增大截面法是通过增大构件的截面和配筋，用以提高构件的强度、刚度、稳定性，防止开裂［8］。

由于体外预应力钢束的作用，刚构双薄壁墩和承台受力增加，原结构配筋无法满足增大后的受力要求，因此在中墩墩顶、墩底、承台顶面采用增大截面法进行补强。

综上所述，本桥加固以体外预应力加固为主，同时与其他两种加固技术有机结合，并配合采用了桥面铺装改造、裂缝封闭与注浆［9］、对梁体表面缺陷进行修补等辅助措施，以实现可靠、耐久的加固效果。

4 主要计算结果

对体外索的计算主要分为两步:第一步，初始状态模拟;第二步，在模拟状态一、二、三下增加体外索。

4.1 计算模型

桥梁上、下部结构均采用平面杆系单元。考虑到施工的实际情况并结合最新桥梁检测报告，对原结构自重、混凝土的加载龄期和收缩徐变系数等进行了相应调整，并在计算中增加了由于桥梁加固而增加的结构重力。

4.2 初始状态模拟

通过调整有效预应力和折减跨中部分单元的抗弯刚度，对中跨跨中挠度进行试算，与实测挠度相比，推算桥梁的初始状态。

通过试算，检算下述两种情况时中跨跨中挠度:

(1)当跨中3个节段单元抗弯刚度降为30%，预应力损失达到15%时，成桥后中跨跨中计算下挠值为201.5 mm，与实际下挠值相吻合;

(2)当跨中3个节段单元抗弯刚度降为30%，中跨跨中底板束损失50%，其余预应力束损失达到5%时，成桥后中跨跨中计算下挠值为171.6 mm，与实际下挠值接近;

由此推断本桥梁加固前的实际受力状态即为加固设计状态二和状态三的初始状态。

考虑到张拉通长束后，跨中裂缝闭合，截面刚度恢复，故加固总体计算时刚度采用0.8EI更接近实际加载状态，因此全桥纵向计算时采用刚度折减20%作为状态二与状态三的初始状态。

4.3 加固设计计算结果(表1、表2)

根据上述模拟的初始状态，通过体外预应力索的张拉，在恒载作用下跨中下缘的压应力储备在最不利的状态三时仍可达4.2 MPa，跨中截面受力状况得到较大改善。在运营荷载作用下整个结构基本上恢复至部分预应力混凝土A类状态。

表1 各工况梁体截面控制应力 MPa

表2 体外预应力钢束控制应力 MPa

由表2可以看出，各受力状态最不利工况下的钢束应力均不超过且最大钢束应力幅仅为8.37 MPa。

体外索的张拉不会使箱梁竖向下挠度完全恢复。本桥张拉体外索后，中跨跨中仅上拱58 mm，与目前本桥已发生的跨中挠度相差较大。

4.4 加固效果综合分析

桥梁加固后，虽然梁体挠度难以恢复原设计状态，但各截面的承载能力极限状态与正常使用极限状态均满足原设计规范要求。

5 施工监控

用体外预应力加固连续刚构桥是一个系统工程，由于箱梁内缺陷和损伤的存在，其内力和应力已经发生了重分配，结构的强度和刚度难以准确把握，本设计只能通过现有的检测数据和原始设计资料推断结构目前的受力状态，而当前状态推断的准确与否直接影响到加固措施的实施。因此在加固施工过程中应采取有效的监测措施来确保结构的安全［10］，主要监控内容包括主梁应力监控、锚固点与转向点局部应力监控，中墩墩顶、墩底应力监控，张拉过程中裂缝监控，主梁挠度监控，中墩墩顶位移监控，梁端纵向变形监控，支点反力监控等。通过对施工过程的全程监测监控，各阶段加固过程中的应力、位移同设计计算基本一致，验证了设计计算的准确性。

6 结语

该桥已于2008年完成了加固施工。根据施工过程中的监测结果，该桥在加固过程中各主要控制截面应力变化与理论分析值基本吻合，体外预应力张拉对裂缝产生了明显的闭合效应，增大了跨中截面的压应力储备，边跨和中跨跨中均产生了一定程度的上拱，由于裂缝的闭合效应使中跨、边跨跨中实际上拱度(中跨跨中上拱约9 cm)略大于理论计算值，整个施工过程结构受力符合设计预期的加固效果。

通过加固前后荷载试验对比情况分析，进一步验证了施加体外预应力与粘贴钢板使开裂截面局部受力状态明显改善，结构刚度有了较大提高，该桥所采用的加固措施是合理而有效的，对今后类似工程具有借鉴意义。

［1］马 健.三门峡黄河公路大桥的主桥加固［J］.公路，2004(6):62-64.

［2］汤 诞，翟晓春.连续刚构梁桥主要病害原因分析［J］.山西建筑，2010(2):321-322.

［3］施顺涛.浅议预应力混凝土连续刚构加固设计方法［J］.铁道标准设计，2007(8):64-66.

［4］李宏江，李万恒，程寿山，王歧峰，李 湛.体外预应力在某连续刚构桥加固中的应用及其效果分析［J］.铁道标准设计，2004(12):48-51.

［5］中华人民共和国建设部.GB50119—2003 混凝土外加剂应用技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［6］CECS203:2006 自密实混凝土应用技术规程［S］.

［7］蒋新婷.粘贴钢板法在旧桥加固中的应用［J］.山西建筑，2007(6):310-311.

［8］陈 佳，赵金云.连续刚构常见的加固方法［J］.中国水运，2009(8):209-210.

［9］GB50367—2006 混凝土结构加固设计规范［S］.

［10］吕梅梅.华南大桥的加固设计与施工［J］.中国市政工程，2007(2):25-27.