体外预应力在桥梁盖梁加固中的应用

常树林

(云南省红河公路局，云南 红河 661100)

随着公路网的密织，公路货运比重持续增大，重载车辆亦随之增多，一些桥梁的运营荷载较设计荷载严峻许多，促使桥梁进入了新建与维护加固并重的一个发展阶段。一些桥龄较长的桥梁因构件截面尺寸、配筋等原因，导致抗弯能力不足，在运营中开裂直至损毁，安全形势不容乐观。本文通过一座因盖梁配筋不足，其悬臂根部竖向开裂的简支空心板桥为例，因裂缝产生位置及缝宽、缝长已不具备采用贴碳纤维布和贴钢板等常规的加固措施来补救，只有对原盖梁凿除重新浇筑或体外预应力进行加固处治。经建模计算后，采用预应力钢绞线对原盖梁进行加固，能使其抗弯承载力恢复并达到现行荷载标准要求，且有一定的承载力储备。特撰此文，以供今后的类似桥梁加固作参考。

1 项目概况

1.1 工程概述

云南南部某省道二级公路上的一座预应力混凝土空心板中桥于2000年初建成通车，为跨越箐沟而设，平面位于直线上，纵面纵坡3%；桥梁全长86.6 m，桥宽13.5 m；桥梁上部结构为3 m×20 m预应力混凝土空心板，结构简支桥面连续，每跨布梁13片；空心板为装配式后张法预应力空心板，板高0.85 m，板宽1 m；下部结构为普通钢筋混凝盖梁长13.5 m、宽1.6 m、高1.2 m，悬臂长1.85 m，圆形三柱墩，重力式桥台。桥梁下部照片如图1所示。

图1 桥梁下部照

1.2 原桥技术标准

桥宽：净13 m+2×0.25 m工艺栏杆，桥面横坡双向2%；荷载等级：汽-超20，挂车-120。

车道数：双向4车道；上部结构：20 m结构简支空心板，板高0.85 m，板宽1 m； 横桥向布梁片数：13片空心板；C25混凝土盖梁：长13.5 m、宽1.6 m、高1.2 m，悬臂长1.85 m。

1.3 桥梁主要病害

在2016年桥梁检测中，全桥2个盖梁均在悬臂根部出现竖向裂缝，悬臂长1.85 m，裂缝情况如下:

(1)1#盖梁A面距左侧2.3 m处有1条自盖梁顶面向下延伸的竖向裂缝，=75 cm，=0.4 mm(如图2)；距右侧1.2、1.68 m处各有1条自盖梁顶面向下延伸的竖向裂缝，为25～27 cm，为0.1～0.16 mm；

图2 1#盖梁A面典型裂缝示意

B面在距左侧2.16 m处有1条自盖梁顶面向下延伸的竖向裂缝，=42 cm，=0.92 mm；距右侧1.66 m处有1条竖向裂缝，=21 cm，=0.1 mm；

(2)2#盖梁A面距左侧2.28 m、3.37 m处各有1条自盖梁顶面向下延伸的竖向裂缝，h为70～98 cm，为0.4～0.48 mm；距右侧1.9 m、2.6 m 处各有1条自盖梁顶面向下延伸的竖向裂缝，为23～46 cm，=0.12 mm；

B面在距左侧1.8、2.3和2.93 m处各有1条自盖梁顶面向下延伸的竖向裂缝为55～96 cm，为 0.4～0.6 mm(如图3)。

图3 2#盖梁B面典型裂缝示意

(3)C25盖梁混凝土强度采用回弹仪无损检测，推算强度均大于25 MPa，混凝土强度状态较好。

本桥检测技术状况综合评定为4类；裂缝宽度已经超过规范容许的最大值0.2 mm，初步估计裂缝原因为悬臂根部抗弯强度不足产生，故对盖梁结构进行复算后，再采用针对性加固措施提升桥梁的技术状况。

2 盖梁结构复算

原桥梁设计荷载等级为汽车-超20级，验算荷载挂车-120；原桥结构检算荷载与现行设计规范中公路-Ⅰ级荷载效应相当，故本次计算采用公路-1级。

2.1 结构检算参数的确定

检算截面位置的确定

根据盖梁的受力特点，按照《公路桥梁承载能力评定规程》(JTG/T J21—2011)规定进行结构检算。

桥面横向布置

桥面净宽13 m，最多可以按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)中要求，横向布置4个车道，桥梁下部盖梁总长为13.5 m，对盖梁可以按规范要求的设计荷载，进行横向影响线的加载。

截面几何尺寸

按照该桥桥竣工图纸并结合现场复检资料确定：长13.5 m、宽1.6 m、高1.2 m，悬臂长1.85 m，未对截面几何尺寸进行折减。

计算参数

原竣工图盖梁采用C25混凝土，受拉区普通钢筋为φ22的Ⅱ级钢筋，钢筋保护层厚度为30 mm，按照普通钢筋混凝土构件进行检算。混泥土和钢筋材料特性分别如表1、表2所示。

表1 C25混凝土材料特性表

表2 Ⅱ级钢筋材料特性表

2.2 计算荷载

结构重力

根据上部结构的布置，结构的自重按结构的容重及结构尺寸确定，混凝土与沥青混凝土容重取26 kN/m和24 kN/m。

活载

1～4个车道，公路为Ⅰ级。

混凝土收缩徐变

相对湿度70%，加载龄期按28 d计算，计算参数按照JTG 3362—2018相关规定取值，计算时间取3 650 d。

荷载组合

按照JTG 3362—2018相关规定组合，其中承载能力极限状态——基本组合下的弯矩包络图如图4所示(对称仅取一半盖梁)。弯矩峰值分别为1 980.7、1 258.1、1 102.9 kN·m。考虑墩柱支承宽度的折减后，弯矩峰值如图5所示。

图4 盖梁弯矩包络图

图5 盖梁悬臂弯矩峰值考虑墩柱支承宽度的折减

2.3 承载能力极限状态验算

盖梁悬臂弯矩峰值折减后，验算一个盖梁悬臂根部的抗弯承载力，结果如图6所示。

图6 盖梁悬臂根部抗弯验算

由计算可知，盖梁悬臂根部抗弯至少需要16根HRB335钢筋，而竣工图中受拉区有效抗弯钢筋仅11根，不能满足抗弯承载力要求，需对盖梁进行加固处理。原设计正截面抗弯验算结果如表3所示。

表3 原设计正截面抗弯验算

3 盖梁加固设计构思

计算表明原盖梁抗弯配筋不足，是悬臂处产生竖向裂缝的根本原因，不能满足现行荷载要求，故加固的目的要提高盖梁抗弯能力满足现行荷载要求，且具有一定的安全储备，保证运营的安全。

因常规的粘贴钢板加固，钢板替代少设的抗弯补强钢筋，受钢板和混凝土粘接面的可靠性和耐久性的影响较大，可能再次出现超限裂缝，不能使用。故对于此类少筋抗弯能力不足相对可行的方案主要有3种：(1)体外预应力加固；(2)更换盖梁；(3)增大截面加固。此3种加固方法比较如表4所示。

表4 盖梁加固技术方案对比表

由表4综合比较技术方案的构造合理性、施工难度、工艺成熟度、质量、工期等因素，竖向裂缝从盖梁顶面向下延伸，并未完全贯通，病害不是很严重；同时，需考虑施工作业对交通安全、结构安全的影响程度以及加固改造后结构耐久性等方面的影响，采用体外预应力对本桥盖梁进行加固。

盖梁施加预应力加固体系主要有3种：(1)体外预应力钢绞线加固体系；(2)高强钢丝绳预应力加固体系；(3)碳纤维板预应力加固体系。针对本桥盖梁实际对这3种预应力加固体系比较如表5所示。

表5 预应力加固体系对比表

本次以修复且抑制裂缝开展继续扩大、加固结构补强为宗旨，使其承载力恢复至原设计荷载水平，并达到现行规范荷载标准要求，且适当增加盖梁承载力储备。综合上表各预应力加固方案对比情况，并考虑病害情况、工程造价、施工难度、工期及材料、工艺质量的保证等，采用预应力钢绞线对盖梁进行加固。

4 加固设计

4.1 加固设计主要内容

针对盖梁已有病害情况，预应力钢绞线加固遵循标本兼治，安全适用、技术可靠的原则；既考虑各种病害导致结构承载力的降低，也考虑加固措施及其施工过程对结构承载力的不利影响，尤其是对原结构的损伤应尽量降低，保证耐久运营之目的。

加固设计主要内容：先对盖梁裂缝进行封缝或灌缝处理，再采用体外预应力的方式进行加固。在盖梁每侧面设置2束5×φ15.24预应力钢绞线，即每个盖梁共设4束，锚具为BM15-5型，张拉控制应力为1 300 MPa，预应力钢绞线布置如图7所示。

图7 盖梁体外预应力钢绞线布置

4.2 预应力加固计算

为提高盖梁悬臂根部的抗弯承载能力，现拟对盖梁进行体外预应力加固，采用在盖梁纵向两侧各增设2束5×φS15.2钢绞线的体外预应力，对原盖梁进行加固。

图8 盖梁抗弯承载力包络图

表6 加固后基本组合悬臂根部正截面抗弯验算

表7 折减后基本组合跨中正截面抗弯验算

检算结论为：原桥极限承载能力满足规范要求。依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)，当桥梁结构或构件的承载能力检算系数评定标度>3时，应进行正常使用极限状态评定计算(按A类预应力构件计算)。正常使用极限状态验算，具体结果如图9～图11所示。

图9 短期组合正截面抗裂验算

图10 长期组合正截面抗裂验算

图11 持久状况标准组合压应力验算

C25砼-≤06=07×178=1246 MPa，截面均处于受压状态，满足规范要求。

-≤0，仅局部截面出现较小的拉应力，此处仍满足B类预应力构件要求。

持久及短暂状况应力计算+≤05=05×167=835 MPa，经计算截面上下缘压应力满足规范要求。

5 体外预应力的施工要点

5.1 总体步骤

施工流程

施工准备→搭设施工平台→探测锚固端主筋位置→新增锚固块放样→打磨锚固面→钻孔及孔内处理→植入锚栓→安装锚固块→穿束→张拉体外预应力钢束→锚头防护处理、螺栓防护处理。

预应力张拉

张拉顺序先张拉侧面下束，再张拉上束，两侧对称张拉；张拉方法为两端同时张拉。

5.2 施工工艺及要点

(1)种植锚固块锚栓时，须边打孔与边植锚栓，不可全部打孔后再进行种植锚栓。钻孔前可用探测仪标明主筋位置，若冲突，应适当调整钻孔位置；

(2)种植锚栓时，先用压缩空气吹净孔内粉尘，然后用毛刷、棉布将孔壁反复刷净，再用棉布蘸丙酮拭净孔壁，将胶粘剂注到孔深的2/3，在插入锚栓后孔周边要有少许胶料溢出。待植筋胶固化后3～4 d可作拉拔试验，合格后进行下道工序。植筋用胶必须采用专用改性环氧胶粘剂、改性乙烯基酯胶粘剂或改性氨基甲酸酯胶粘剂，其力学性能指标应符合表8的性能要求；

表8 锚固用胶粘剂的物理力学性能指标

(3)穿布预应力束。穿束时注意不要损坏钢绞线外的PE护套。张拉完毕后，PE套管距工作锚板大于等于300 mm；

(4)张拉预应力束。预应力束穿束就位后，即可进行张拉，为了消除张拉顺序引起的弹性变形损失，采用分二级张拉来调整两侧钢绞线的预加力基本相等。

(5)施加张拉力。盖梁两侧预应力钢束对称同时张拉，张拉力施加步骤：0→15%δcon→0→50%δcon→80%δcon→100%δcon→锚固，每个张拉阶段持荷5 min；

(6)在张拉时，须中断交通，且对盖梁控制截面进行监控；

(7)应对所有钢构表面进行防腐处理，环氧富锌底漆3层，每层厚度30 μm；灰云氯化橡胶面漆4层，每层厚度35 μm。外漆涂刷前应调配颜色，尽量与混凝土颜色一致。

6 结语

本桥采用预应力钢绞线加固施工完毕至今已6年多，加固效果理想。此盖梁悬臂根部竖向裂缝采用体外预应力加固后，较大幅度的提高了其承载能力，也明显改善了结构的使用性能。在加固中关键还是根据病害情况，确定加固方法，再建模分析计算后，决定施加预加力的大小和方法，且在施工时严格遵守相关规范与材料要求，并不断优化工艺，才能保证桥梁的加固效果。