箱梁腹板增大截面体内预应力加固技术实例分析

曾贤斌

（中交三航局湖南分公司，湖南 湘潭 411100）

0 引言

为了保证桥梁在未到设计年限阶段的安全运营，通过定期桥梁检测，发现我国诸多旧桥中，下部结构完好，上部结构出现裂缝，对交通安全造成极大隐患。相比起重建新桥，通过对旧桥的维修加固将大大节约成本，又可以消除交通安全隐患，因此桥梁加固技术的研究必将推动桥梁建设和交通运输事业的发展，其中如何对桥梁上部结构进行加固显得尤为重要[1]。

桥梁加固设计实践经验很重要，不仅要认真进行现场考察，还要根据以往经验对不同桥梁进行加固方法分析，最终选择最为合理的加固方案。常见的提高桥梁承载力和刚度的加固方法有粘贴钢板加固、体外预应力加固、增大构件尺寸加固等，而增大构件尺寸后进行体内预应力加固的方法在加固设计中较少采用。本文通过30 m简支箱梁桥为例，对该方法进行设计计算分析和施工介绍，为广大桥梁养护加固设计人员提供参考。

1 工程概况

某桥梁为三跨30×4=120 m等截面简支箱梁桥，桥面宽15.5 m，桥梁设计荷载等级为公路-Ⅰ级。该桥上部结构采用C50混凝土，梁高1.6 m，横向布置5片小箱梁。下部结构为圆柱式桥墩桩基础，支座为板式橡胶支座及四氟滑板橡胶支座。桥面为10 cm沥青混凝土桥面和10 cm厚的C40桥面调平层。桥梁横断面见图1。

图1 桥的横截面（单位：mm）

1.1 桥梁现状及病害

通过定期桥梁检测，发现该桥上部结构跨中处存在大量横向裂缝，裂缝宽度多在0.15～0.3 mm之间，同时腹板处多处出现斜向裂缝，少量与底板形成贯通的U形裂缝。裂缝典型病害示意见图2、图3。

通过桥梁静载试验，发现该桥的跨中截面抗弯承载能力检算和支点截面抗剪承载能力检算已不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）中有关要求，跨中截面抗弯承载能力检算见表1，支点截面抗剪承载能力检算见表2。

图2 腹板斜向裂缝

图3 箱梁底的横向裂缝

表1 第一跨箱梁跨中截面抗弯承载能力检算 kN·m

表2 1#台支点截面抗剪承载能力检算 kN

1.2 病害成因分析

根据现场勘察和桥检报告，加固前对旧桥进行病害成因详细分析，发现主要原因有以下几个方面：

（1）设计原因。通过对比该桥竣工设计图纸和小箱梁通用图纸，发现该桥预应力钢束过早起弯，上部钢束起弯点比通用图纸中起弯点偏早，而且在预应力钢束数量上比通用图纸中少2束[2]。

（2）该桥所在路段处于绕城高速，重型货车日流通量相比设计时增多，超载货车夜间通行等问题突出，加剧了裂缝的产生。

（3）施工时不注意横隔板振捣养护，横隔板处在运营过程中开裂，造成梁片单梁受力。

2 加固方法对比分析

经过现场实地勘察，该桥所处山区地势，长期有雾气环绕，如果单纯采取体外预应力加固，钢束长期暴露在雾气中，使用寿命将大为缩短，而且需要加大对钢束的检查，都将造成后期养护成本提高；而单纯采用增大截面尺寸，将造成原梁尺寸过大，又加重梁体自身重量和下部结构的负担，不够经济与美观；粘贴钢板加固方法与体外预应力一样，暴露于雾气中的钢板会加速腐蚀，存在后期养护成本过高等问题。

采用增大截面加体内预应力加固方法对该桥进行加固，不仅解决了腹板斜裂缝的问题，而且体内预应力在外包混凝土的保护下又可长期有效，该加固方法在特殊环境下有着显著的优势。经过以上比较分析，采用增大截面加体内预应力加固方法对该桥进行加固。

3 采用增大截面加体内预应力加固方法计算分析

3.1 结构加固具体方法

在箱梁的腹板两侧植筋，增大截面尺寸，放好钢束的定位钢筋，浇筑15 cm厚C50混凝土，在腹板两侧增设齿板，通过齿板和定位钢筋设置通长4束5øs15.2钢束，并张拉预应力。由于腹板增厚必将导致梁体重量的增加，根据原支座的承载能力，视具体情况决定是否需要更换支座。加固设计见图 4、图 5。

图4 箱梁加固设计图（单位：mm）

3.2 加固计算分析

本桥根据实际情况，不仅要消除交通安全隐患，还要在原有基础上提高原梁跨中承载力，提高后的跨中截面弯矩组合设计值为14 041 kN·m。本文通过加固后箱型梁受力分析和加固前进行对比，参考公路桥梁加固设计规范[3]中体外预应力加固和增大截面加固公式，具体情况具体分析，给广大设计者提供参考。

图5 箱梁加固横断面设计图（单位：mm）

加固设计计算：

通过查阅工程竣工图纸和有关资料得到基础数据：体外预应力钢绞线抗拉强度标准值fpd，e=1260MPa，弹性模量Ep，e=1.95×105MPa，计算跨体外钢绞线有效长度le=30 951 mm，体内预应力钢绞线截面面积Ap，e=139×4×5=2 780 mm2。纵向普通受拉钢筋As=3 563 mm2。

（1）体外预应力筋的极限应力σpu，e

式中：hp，e为体外预应力筋合力作用点到截面顶面的距离。

hp，e体外预应力筋的极限应力 σpu，e公式为

式中：fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值，50 MPa；b为箱梁腹板宽度；β为混凝土受压区高度折减系数，取0.8；σpe，e为预应力钢束的永存预应力，取1212MPa；γp为预应力钢材的安全系数，取2.2。

经过上式计算，体外预应力筋的极限应力为1217 MPa（＜1 260 MPa)。

（2）正截面抗弯承载力计算

预应力筋和普通钢筋的合力作用点到梁顶面的距离分别为hs=h-a=1 393 mm。由

得截面受压区高度x=289 mm＜ξbhs=552 mm，且属于第二类T形截面。（公式中符号意义详见加固设计规范。）加固后梁的抗弯承载力为：

计算结果表明，加固后跨中正截面抗弯承载力满足要求。

4 施工注意事项及加固后效果跟踪

4.1 施工注意事项

（1）为保证新旧混凝土良好结合，原混凝土的表面应凿成凹凸差不小于6 mm的粗糙面，植入的钢筋严格按照加固规范的要求[4]。

（2）由于增大截面施工的作业空间较小，本工程采用满堂吊架进行施工，施工过程采用自锚固体系的钢模板，浇筑混凝土时在桥面上标注翼缘板位置，在标注处开孔浇筑自密实混凝土，振捣采用附着式振捣器，确保混凝土浇筑的质量[5]。

（3）桥梁加固前应对箱梁底原有的裂缝进行修补；桥梁加固施工期间，需要对桥梁进行施工监控，保证应力和挠度符合设计要求[6,7]。

（4）严格控制混凝土拌合时的含气量以及模板的温度，防止脱模时混凝土表面出现气泡，麻面等问题影响桥梁的外观。在施工振捣时，应注意观察，是否有漏浆和振捣不到位的现象发生。

（5）预应力筋孔道要严格按照设计经行布置，定位钢筋与设计钢筋有冲突的地方，应适当移动普通钢筋间距，确保孔道位置按设计要求布置。体内预应力筋张拉完毕后，孔道需要尽早压浆，禁止边加原料，边搅拌，边压浆。水泥浆强度不小于50 MPa，要求压浆饱满。

（6）张拉预应力钢束应严格按照设计要求，提高混凝土养护龄期，不得在箱梁混凝土强度和弹性模量还未达到设计值和龄期未到设计要求时就张拉预应力筋。

4.2 加固效果跟踪

加固施工完成之后，通过竣工验收，并在后续3 a内对桥梁进行定期的桥梁检测。结果表明，本次加固起到了比较明显的效果：（1）后续桥梁外观检测中，梁底并未发现新增裂缝，腹板未出现裂缝，下部结构并未因上部结构桥梁重量增加而出现新的病害。（2）加固后桥梁整体刚度得到明显改善，当重车经过时，人在桥上振感明显减小。（3）通过控制施工中浇筑混凝土的质量和采用钢模板，箱梁腹板的外观得到明显的改善。

5 结 语

通过简支箱梁为例，对箱梁腹板增大截面体内预应力加固技术进行较为详细的加固设计分析，通过计算受力分析给广大加固设计者作为一个参考。再经过后续的跟踪，结果表明本方法结合了增大截面和体外预应力加固方案两者的优点，解决了增大截面加固方法在提高梁体承载力的同时过度加重上部结构自身重量、影响桥下净空的缺点，以及体外预应力加固方法中预应力钢筋无混凝土保护、易受外界条件腐蚀失效和在极限状态下可能因延性不足产生没有预兆的失效的后果。

箱梁腹板增大截面体内预应力加固技术加固后外形得到较大的改善，整体结构承载力、刚度以及耐久性也得到很大程度的提高，该方法具有广阔的前景和重要的推广意义。