浅谈体外预应力在旧桥加固中的应用

李金龙 慕玉坤

（1、苏州交通工程集团公司三佳交通预应力有限公司，江苏苏州2151282、西安瑞通路桥科技有限责任公司，陕西西安710075）

1 概述

某桥是1953年根据前苏联“桥涵标准图”设计修建的双孔单悬臂钢筋混凝土简支梁桥。全桥分孔为2×[12.9m(悬臂)+ 33m]，中跨主梁高度为2.5m，边跨主梁悬臂端高度为1.0m，悬臂根部高度为2.5m。下部结构为重力式墩台，木质群桩基础。桥面宽度为净-7+2×0.75m人行道。原桥设计荷载等级为汽-10级，拖-60。

2000年对该桥进行了加固处理，加固后该桥由原来的单悬臂简支梁桥改变成了四跨连续梁桥。设计荷载等级提高为汽车-20级，挂-100。但由于超载车辆较多，车流量较大，在2004年末又出现以下病害:主梁多处存在裂缝，且大部分属于受力裂缝，最大裂缝宽度达0.5mm，最大裂缝长度达1.3m；两中跨间墩顶处后浇段混凝土与原梁端结合面下缘被拉裂，缝宽达5mm；根据检测，该桥的主梁混凝土强度为20.2Mpa；恒载作用下的中跨跨中挠度达3.3cm，在加载荷载作用下的跨中挠度达7.46mm(大于理论计算值6.50mm)。

2 桥梁结构计算分析

2.1 主要材料特性

2.1.1 混凝土。鉴于主梁混凝土实测立方体强度为20.2Mpa，计算参数取用如下：弹性模量3.0×104Mpa，容重25kN/m3，热膨胀系数1×10-5，标准抗压强度14Mpa。

2.1.2 钢筋。鉴于实测碳化深度最大值仅为5mm，且钢筋锈蚀情况不明，计算时假设钢筋没有发生锈蚀，按钢筋全断面工作考虑，钢筋的标准强度取240MPa。

2.2 结构体系

本桥为曾加固过桥梁，加固前为带外伸悬臂的简支体系，加固时对该桥进行了体系转换，变为连续梁，由于两中跨间墩顶主梁的固结情况不理想，故此处对加固后的桥梁按两跨连续梁进行考虑。

2.3 验算内容

综合考虑该桥目前病害，利用桥梁结构通用分析程序进行结构验算，验算的主要内容如下：(1)桥梁结构的极限承载能力验算；(2)桥梁结构的裂缝验算；(3)桥梁结构挠度验算。

2.4 结构计算模型

鉴于该桥在加固前后结构体系发生了变化，且病害较多，为了找出产生病害的根本原因，对桥梁内力此处按两跨连续梁进行计算，如图2-1和图2-2所示。其中，图2-1所示的简支梁计算模型为加固前的桥梁计算模型，该阶段桥梁仅承受自身恒载；图2-2所示的连续梁计算模型为加固后的桥梁计算模型，该阶段桥梁主要承受二期恒载及活载。

图2-2 两跨连续梁计算模型

2.5 结构分析结论

2.5.1 在汽车-20级荷载作用下，桥跨结构的跨中挠度能够满足正常使用要求。

2.5.2 在恒载和汽车-20级荷载共同作用下，桥跨结构的裂缝宽度能够满足正常使用要求。在组合恒载和挂-100荷载荷载共同作用下，除边跨L/4截面的裂缝宽度(0.3mm)不能够满足正常使用要求外，其它截面的裂缝宽度均能满足正常使用要求。

2.5.3 在恒、活载的共同作用下，桥跨结构除中跨5L/8截面和次中墩支点截面的抗弯极限承载能力能够满足设计要求外，其余各截面的抗弯、抗剪，次中墩截面的抗剪均不能满足现行荷载的运营要求。其最小的Mu/Mj值为0.617，最小的Qu/Qj值为0.514。

3 加固方案设计

3.1 加固方案

方案一：

（1）为了改善桥跨结构的受力状态，对其内力进行重新分配，在桥跨结构施加体外预应力：中跨每个腹板两侧分别施加一束9φj15.24mm的钢绞线束，边跨每个腹板两侧分别施加一束7φj15.24mm的钢绞线束。

（2）为了提高桥跨结构在新、老桥结合墩支点截面及次中墩支点截面的抗剪极限承载能力，在边跨边支点截面3m范围内粘贴两层0.167mm厚的碳纤维布，在次中墩支点截面8m范围内粘贴两层0.167mm厚的碳纤维布。

方案二：

（1）为了提高桥跨结构正弯矩区段及的抗弯极限承载能力和支点截面的抗剪极限承载能力，在主梁梁底正弯矩区段每隔21.5cm粘贴一道15cm宽、1.2mm厚的碳纤维板，在主梁腹板全桥范围粘贴两层0.167mm厚的碳纤维布(支点附近)和一层0.572mm厚的芳纶纤维布 (支点以外其它部分)。

（2）为了提高主梁在负弯矩区段(次中墩支点截面)的抗弯极限承载能力，在主梁支点截面10m范围内张拉预应力，每个腹板两侧分别张拉一束5φj15.24mm的钢绞线束。

3.2 结构验算

3.2.1 方案一改善了结构受力，加固后的桥跨结构在各主要受力截面的极限承载能力均可以满足设计要求，且具有一定的安全储备，其最小的Mu/Mj值为1.549，最小的Qu/Qj值为1.383。

3.2.2 方案二提高了桥跨结构的承载能力，加固后的桥跨结构在各主要受力截面的极限承载能力均可以满足设计要求，且具有一定的安全储备，其最小的Mu/Mj值为1.320，最小的Qu/Qj值为1.148。

3.3 方案比较

3.3.1 方案一从改善结构受力的角度出发，使得各主要受力断面的结构内力大幅度降低，方案二从提高结构抗力的角度出发，使得结构的极限承载力得到大幅度提高。

3.3.2 方案一可以使主梁产生1cm的预拱度，降低主梁中垮的挠度值，部分改善桥面线型，方案二不具有此优点。

3.3.3 方案一由于采用预应力进行加固，属主动加固措施，可以部分恢复现有裂缝及减小裂缝宽度，对改善桥跨结构的刚度有所帮助，方案二属被动加固措施，且碳纤维材料对主梁刚度几乎没有贡献。

3.3.4 二者的造价差异较大，方案一为103.2万元，方案二为150.4万元，后者约为前者的1.46倍。

3.3.5 方案一施工较方案二复杂，但二者的施工工期相当，基本在2个月内可以完成加固施工并恢复交通。

通过上述分析比较，此处认为本桥宜采用体外预应力进行加固处理。

结语

①对于极限承载能力欠缺较大的桥梁，一般通过被动加固措施来提高其极限承载能力很难达到理想的加固效果，此时，最好是通过改善结构受力来对桥跨结构进行加固处理。

②体外预应力技术作为一种工艺相对较为成熟的主动加固措施，可以显著地改善结构受力，使结构内力得以再次重新分配，其加固效果显著。

③体外预应力技术虽然有其独特的优越性，但也有其自身的弊端，如预应力的松弛、疲劳等，故在采用体外预应力进行加固时，预应力束的张拉控制应力最好不要超过其极限强度的60%，且应尽量保证每跨的预应力束单独受力，不发生相互干扰，即尽量采用短束而避免采用通常束。

[1]魏书华，梁忠宝.预应力法加固旧桥的技术分析[J].河北工业科技，2007.

[2]李学金.体外预应力加固钢筋混凝土旧桥的应用研究[J].天津大学，2007.