基于荷载试验对增大截面配合预应力综合加固效果分析

赖火炉

（福建省高速公路集团有限公司漳州管理分公司养护中心，漳州 363008）

1 概述

随着交通运输服务的要求， 早期修建的桥梁将要面临着超过原设计荷载等级的交通量以及交通荷载所带来的压力。以此同时，由于早期设计理论和该类型桥型认识的局限性， 以及施工质量控制不严和后期养护不及时等原因， 导致一些预应力桥梁结构在施工过程中就已经先天不足，长时间运营之后出现诸如梁体下挠、梁体裂缝等不同程度的病害[1]。 体外预应力加固具有平衡活载作用，能够产生使主梁卸载的效果， 对改善旧桥的状况十分有利，且达到裂缝减小或闭合的目的[2]。然而，由于体外预应力加固存在的局限性， 特别是耐久性方面加固达不到预期效果。

本文以某大跨径连续箱梁桥为例，分析了先期体外预应力加固后主梁无法达到加固效果的原因，提出增大截面体内预应力等措施进行加固。 通过荷载试验评价加固效果，得到一些有益的结论，为同类工程实践提供借鉴。

2 工程概况

2.1 工程概况

某大桥位于沈海高速厦漳段， 于1997 年底建成通车，桥梁全长235.42m，桥跨组合为31.6m+3×50m+45.8m预应力钢筋砼连续箱梁，单幅横向布置为0.5m（护栏）+11.5m（行车道）+0.5m（护栏），桥面净宽11.5m。 上部结构采用等截面预应力混凝土连续箱梁， 为单箱单室斜腹板箱型截面，箱梁梁高2.8m，顶宽12.5m，底宽4.2m，斜腹板，翼缘板悬臂长度为3.55m。腹板厚度32～45cm，底板厚度15～48cm， 顶板厚20cm。 下部结构桥墩采用直径为220cm 的PC 空心桩，壁厚20cm，桩柱一体直通墩帽。 桥梁结构示意图见图1。

2.2 桥梁病害情况

经过逾20 年的运营后， 该桥从2006 年开始委托相关资质单位进行检测，技术状况评定等级为四类桥。该桥存在如下病害：

图1 桥梁结构立面图

（1）箱梁出现了较为严重的跨中下挠现象，其中50m跨径最大下挠值为12.21cm；

（2）箱梁外部梁体出现多条梁底横向贯通裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝，且从2006 年开始到2015 年的定期检测结果中， 发现每年均有新裂缝产生， 横向裂缝最宽达到0.15mm，竖向裂缝最宽达到0.43mm，超过规范限值。病害示意图见图2、图3；

（3）箱梁内部竖向裂缝缝宽(0.09～1.00)mm，斜向裂缝缝宽(0.08～1.20)mm 分布在梁端横隔板及两侧腹板位置；顶板横向裂缝缝宽(0.12～3.50)mm，分布在跨中顶板位置。

图2 箱外梁底横向裂缝

图3 箱梁腹板外侧竖向裂缝

2.3 箱梁历史维修加固记录

该桥自2011 年起，先后采取了封闭裂缝、粘贴碳纤维布补强和粘贴钢板补强等加固措施。 2014 年经专家会讨论，对该桥进行增加体外预应力钢束加固方法。 然而，2016 年经荷载试验分析，该桥挠度、应变校验系数均大于1，承载力不满足要求；结构实测一阶频率＜理论频率，实际刚度小于理论值， 桥梁的承载能力不能满足评定要求。 分析主要原因在于体外预应力加固法存在一定的局限性，体外预应力达不到预期效果。

（1） 预应力的施工中在钢绞线下料与穿束中粘接段段的长度和位置， 新老混凝土之间的粘结后加预应力对原预应力的影响很难确定；

（2） 施加预应力索加固存在合理的加固预应力筋的位置和数量后加固的预应力钢筋对已经存在的预应力钢筋的影响不明；

（3）体外预应力钢筋松弛、断筋等失效的现象。

3 增大截面配合预应力加固法

3.1 结构加固具体方法

增大截面配合预应力加固法，即在箱梁腹板外植筋、并加厚腹板，梁端附近区域加厚50cm，其余加厚18cm，在加厚层内预埋塑料波纹管，增设6 束Φs15.2-15 钢束，设计图见图4～图6。加固方法充分考虑结构安全性、耐久性及后期养护便利性，同时遵循易操作、效果好、交通影响小的维修加固原则。

图4 支点截面加固设计图（单位：cm）

图5 跨中截面加固设计图（单位：cm）

图6 体内预应力管道设计图（第1 跨，单位：cm）

3.2 加固施工控制要点

（1）加固采用高强度C55 无收缩自流密实混凝土，减小预应力的二期损失；

（2）加固增加的恒载尽量小，拆除原体外预应力钢束及锚固混凝土，对原上部结构进行减载。加固前后恒载变化见下表1。

表1 加固后恒载变化

（3）控制新旧混凝土结合面的处理，应使老混凝土表面的粗、细骨料都外露，形成凹凸不平的表面，确保新老混凝土表面的处理质量，可以采用高压水射法、电动钢丝或人工凿毛等进行表面处理施工[3]。

（4）控制预应力管道的灌浆密实度，把握灌浆料的流动性，同时检查是否存在漏浆的现象。上导管出浆后证明灌注密实， 待养护龄期达10d 后采用预应力管道注浆密实度检测仪检测。

4 箱梁加固效果评价

通过桥梁荷载试验，对桥梁承载能力、工作状态进行综合评估，评价加固的效果，判定桥梁是否能够正常运营使用。选择大桥右幅进行加固效果评价，现场通过静动载荷试验，测试了大桥的静载效应下的应变、挠度以及裂缝开展情况，动载试验下的桥梁整体振动频率及冲击系数，并与加固前进行分析比较，如下：

（1）应变测试情况

加固前满载作用下，剔除在仪器误差、系统误差范围内的数据后， 工况1 墩顶负弯矩工况的应力校验系数小于1， 工况2 和工况3 的跨中正弯矩截面底板的校验系数均大于1，不满足规范[4]要求。

加固后各工况实测应变均未超出理论应变， 应变的校验系数在0.39～0.99 之间， 关键测点应变校验系数在0.79～0.99 之间，相对残余应变在0%～18.8%之间，均满足规范[4]中应变校验系数、残余应变的规定，说明该桥受力后基本能恢复到初始状态，处于弹性工作状态。

图7 加固前后边跨应变实测值与理论值对比图

（2）挠度测试情况

加固前在满载作用下，剔除在仪器误差、系统误差范围内的数据后，除工况1 的部分点外，其余各截面校验系数均大于1.0（校验系数在0.65～1.73 之间），且相对残余挠度超过20%，均不满足规范[4]要求。

加固后各工况实测挠度值均小于理论挠度值， 挠度校验系数在0.93～0.99 之间，相对残余挠度在0.3%～6.8%之间，均满足规范[4]中挠度校验系数、残余挠度的要求，说明该桥受力后，基本能恢复到初始状态，处于弹性工作状态。

图8 加固前后边跨挠度实测值与理论值对比图

（3）裂缝监测情况

荷载试验过程中，采用裂缝测宽仪对典型裂缝进行监测。 从监测数据来看，在试验过程中裂缝未见明显开展。

（4）桥梁振动频率

加固前后实测及理论自振前三阶频率对比如下表2。 表明加固后桥梁整体竖向动刚度较加固前有所提升，满足规范要求。

表2 实测与理论前三阶竖向自振频率结果

（5）桥梁冲击系数

在单车作用下翠林大桥右幅最大实测冲击系数系数为0.256。

综上所述，通过两次荷载试验结果对比可发现：

（1）无论静载还是动载结果，桥梁结构刚度有较大提高；

（2）结构强度指标应变的校验系数有一定提高。

5 结语

（1）通过连续箱梁实例，对整体式箱梁腹板增大截面配合预应力加固技术进行较为详细的介绍， 并对加固施工过程中的控制要点进行阐述， 可为广大工程人员提供参考。

（2） 本方法综合了增大截面法和体外预应力加固法两者的优点， 解决了增大截面加固带来的恒载以及体外预应力加固中预应力钢束无混凝土保护、 新旧混凝土粘结以及新加预应力钢束对原钢束影响的问题。

（3）本次加固后静动载试验实测数据表明，该桥受力性能已满足设计荷载要求，整体结构承载力、刚度以及耐久性都得到很大程度的提高。