大跨径PC连续箱梁桥体外束加固设计

2018-01-03金庆利

城市道桥与防洪 2017年12期

关键词：主桥张拉箱梁

金庆利

（徐州市交通规划设计研究院,江苏徐州 221006）

大跨径PC连续箱梁桥体外束加固设计

金庆利

（徐州市交通规划设计研究院,江苏徐州 221006）

徐州某京杭运河大桥主桥上部结构为变截面PC连续箱梁桥。由于桥梁周边港口码头较多，车辆超载现象比较严重，在经过六年多的运营后，连续梁主跨跨中底板出现横向裂缝和腹板斜向裂缝等病害，且裂缝呈不断发展趋势，需要采取加固措施。设计提出采用增设体外预应力束的方法进行加固，并对加固后的桥梁进行空间仿真分析。在加固并运营两年之后，未再出现新的病害，说明本次加固有效地提高了老桥的承载能力、压应力储备及安全系数，效果良好，可为同类型桥梁加固提供参考。

PC连续箱梁;体外预应力;加固;空间应力分析

0 引言

近年来，我国桥梁建设发展迅速，完成了大批具有世界先进水平的桥梁工程。但大量桥梁建成的同时，由于材料老化、养护管理不到位、交通量猛增、严重超载等因素，致使许多老桥变成危桥，威胁着人们的生命财产安全。因此，研究性能优越的桥梁加固技术具有重要的现实意义。

体外预应力是设置在混凝土体外的预应力筋给混凝土施加的预应力[1]。体外预应力混凝土也称无粘结预应力混凝土，是一种预应力筋直接设置在体外，或者预应力筋设置在混凝土体内，但无需进行孔道灌浆的无黏结预应力混凝土。它与预应力混凝土的区别在于预应力筋与混凝土的无粘结性。自20世纪80年代开始，无粘结预应力混凝土在我国房屋建筑中得到广泛的应用，后来逐渐被应用于桥梁结构中。

采用体外预应力技术可在不影响使用的情况下调整体外预应力束的应力，甚至更换体外预应力束，从而延长使用寿命。该技术可保证结构的整体性，新旧体系协同工作良好，克服了其它加固方法加固材料的应力滞后问题。另外，体外预应力束布置灵活，可用于多种形式的桥梁结构[2]。近年来，体外预应力技术由于具有施工方便、经济可靠、预应力筋(束)可以单独防腐甚至可以更换等特点，已被广泛应用于旧桥的加固工程中。众多的工程实践证明，利用体外预应力加固旧桥，能显著提高结构承载力、挠度、裂缝宽度，有效改善结构的应力状态。

1 工程背景

徐州某京杭运河大桥主桥上部结构为变截面PC连续箱梁桥，主桥跨径为（62+100+62）m，主桥上部箱梁采用单箱单室，纵、横、竖三向预应力体系。桥宽12.75 m，箱梁根部梁高5.8 m，跨中梁高2.5 m，箱梁顶板宽12.75 m，底板宽6 m，翼缘板悬臂长为3.375 m。由于桥梁周边港口码头较多，车辆超载现象比较严重，桥梁通车运营六年后出现较多病害。通过对主桥进行桥梁静动载试验和检测，发现跨中箱梁底板、腹板出现多条斜裂缝，且裂缝严重超限；结构混凝土破损露筋、箱内预应力齿板锚头预应力筋外露、横隔板斜向裂缝等；底板混凝土纵横向裂缝的位置存在不同程度空鼓及崩裂现象，技术状况等级为4类（严重）。静载试验结果表明，该桥结构整体刚度虽满足要求，但承载力未达到设计荷载要求，需要尽快采取加固措施。

2 桥梁概况

2.1 原桥设计主要技术标准

（1）荷载等级：公路—I级；

（2）桥梁宽度：2×12.75 m；

（3）地震峰值加速度：0.1 g。

2.2 主桥结构概况

桥梁跨径组成为6×30 m+（62+100+62）m+6×30 m，主桥为主跨（62+100+62）m变截面预应力混凝土连续箱梁，引桥为30 m装配式部分预应力混凝土组合箱梁。主桥上部箱梁采用单箱单室，纵、横、竖三向预应力体系。桥宽12.75 m，箱梁根部梁高5.8 m，跨中梁高2.5 m，箱梁顶板宽12.75 m，底板宽6 m，翼缘板悬臂长为3.375 m，箱梁高度按1.8次抛物线变化。箱梁顶板厚度为0.28 m，底板厚度从0.30 m至0.8 m按1.8次抛物线变化，腹板厚度根部0.8 m，跨中为0.5 m。如图1、图2、图3所示。

图1 老桥桥型布置（单位:m）

图2 主桥横断面（单位:cm）

图3 桥梁现状图

3 桥梁主要病害

大桥周边有较多重要港口码头，车辆超载现象严重。在经过六年多的运营后，主桥连续梁出现较多病害，且裂缝呈不断发展趋势。2014年3月，某公路检测中心对主桥进行了桥梁静动载试验和检测，发现跨中箱梁底板出现横向裂缝，腹板出现多条斜裂缝，并且裂缝严重超限；结构混凝土部分破损露筋；箱内预应力齿板锚头预应力筋外露；横隔板出现斜向裂缝等；底板混凝土纵横向裂缝的位置存在不同程度空鼓及崩裂现象，技术状况等级为4类（严重）。如图4、图5所示。静载试验结果表明，该桥结构整体刚度虽满足要求，但承载力并未达到设计荷载要求。

图4 桥梁主要病害图

图5 主桥中跨跨中底板裂缝示意图

4 桥梁加固设计

4.1 加固方案

本次维修加固裂缝处理原则如下:

（1）凡裂缝宽度≥0.15 mm者，做灌浆处理；在腹板粘贴钢板，顶板粘贴碳纤维布。

（2）凡裂缝宽度＜0.15 mm者，做封闭处理。

针对裂缝的处理，本文重点介绍体外束加固设计情况。鉴于造成病害的原因之一就是多种因素导致的结构压应力储备不足，因此增设体外预应力是解决该病害问题的有效方法。如图6所示，本方案两侧 62 m边跨每箱各布置 6束 12-7Φ5环氧涂层钢铰线体外索，100 m中跨布置 8束12-7Φ5环氧涂层钢铰线体外索。体外束张拉控制应力力为 0.6 fpk,即187 tonf。

体外预应力利用7#墩、8#墩横隔板，以及钢结构支架作为钢束体外预应力束转向支点，在6#墩、9#墩底板厚度变化段部位设置锚固块，并通过植筋与端横梁连接。施工时需要对横隔板进行钻孔，钢结构转向支架的另一个作用是增加箱梁的抗扭刚度，相当于在转向处增设了2道横隔板。锚固座、转向器及减震固定架均为钢结构，锚固座与混凝土通过埋植锚栓与梁体连接为一个整体。

图6 体外束平面布置图

4.2 计算模型

如图7、图8和图9所示。

图7 平面杆系模型

图8 空间模型中墩剖面图

图9 体外束布置示意图

4.3 体外预应力加固效应分析

4.3.1 极限承载能力检算

桥梁采用体外束加固后，提高了正截面抗弯承载能力与斜截面抗剪承载能力以及结构的安全系数。跨中正截面抗弯承载能力与支点附近的截面抗剪承载能力安全系数见表1。

表1 加固后跨中正截面强度安全系数

4.3.2 正常使用状态计算

（1）正截面抗裂：能满足全预应力构件要求，并较大地增加了边跨与中跨底板压应力储备，加固后底板抗裂检算结果见10图。

图10 加固后正截面下缘抗裂图

（2）斜截面抗裂：在不考虑竖向预应力作用下，加固后斜截面主拉应力能满足全预应力构件要求（见图 11）。

图11 加固后斜截面抗裂图

最大压应力：按照预应力不损失对截面最大压应力进行检算，截面最大压应力为15.6 MPa，满足规范要求。

4.3.3 空间仿真计算

桥梁经体外束加固后，增加了压应力储备，增大了原结构的安全系数，明显改善了桥梁结构的应力状态。

（1）体外束加固后箱梁下缘正应力如图12所示。

图12 加固后箱梁下缘正应力图

（2）体外束加固后箱梁腹板内表面主拉应力如图13所示。

通过以上空间应力分析，可以看出桥梁结构应力得到了较为明显的改善。

4.4 体外预应力束施工

桥梁加固采用12-7Φ5环氧涂层钢铰线体外索，每幅短束四束（TWS3、TWS4、TWS5、TWS8）、通长束四束（TWS1、TWS2、TWS6、TWS7），预应力筋为空间曲线。左幅预应力张拉时分三级循环张拉，首先按顺序全部张拉至15%，其次全部张拉至30%，再次全部张拉至70%，最后依次全部张拉至100%。右幅施工由于监控显示预应力张拉梁体响应偏小，因此，右幅张拉调整方案为首先按顺序全部张拉至15%，然后全部放张，接着全部张拉至30%，再全部张拉至70%，最后依次全部张拉至105%。体外束施工流程、张拉顺序以及施工现场如图14、图15和图16所示。

图13 加固后箱梁腹板内表面主拉应力图

图14 体外束施工流程

图15 体外束张拉顺序

图16 体外束现场施工图

5 加固后静动载试验

5.1 加固后静动载试验概述

为了保证桥梁营运的安全，对桥梁进行荷载试验检测与评定是非常必要且符合国家有关规范的。通过荷载试验检测，对桥梁正常使用状态的承载力进行检验，可建立和完善系统的桥梁技术档案，为今后桥梁养护提供依据。

桥梁荷载试验对桥梁结构物直接加载后进行相关测试、记录与分析工作，包括试验准备、理论计算、现场试验、对试验结果分析整理等一系列内容，以达到了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，进而评定桥梁结构施工质量和使用状况的目的。实桥荷载试验是对桥梁正常使用性能进行评判时最直接和有效的方法和手段。测试桥梁在试验荷载作用下的真实结构响应（如应变、挠度、裂缝），通过实测值和理论值的对比，分析桥跨结构的实际承载状况，评价其在设计使用荷载下的工作性能。通过动力试验测试桥跨结构的固有振动特性和车辆荷载作用下的受迫振动性能，分析和检验结构的动力性能。

目前对该桥的维修加固施工已完成，进而进行荷载试验检测，并与维修加固前荷载试验数据对比分析，检验维修加固效果，确保桥梁后期使用的安全。