某预应力混凝土连续箱梁组合加固方法研究

摘 "要：某高速预应力混凝土连续箱梁受损后，上部结构出现大量结构性裂缝。桥梁特殊检查结果表明，梁体跨中抗弯承载能力不满足要求，刚度明显降低，通过体外预应力等组合加固方式，可有效提高主梁承载能力及刚度。

关键词：连续箱梁；组合加固；体外预应力；加固设计；混凝土

中图分类号：U448.14 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2095-2945（2023）20-0137-05

Abstract： After a high-speed prestressed concrete continuous box girder is damaged， a large number of structural cracks appear in the superstructure. The results of special inspection of the bridge show that the bending bearing capacity of the beam in the middle span does not meet the requirements， and the stiffness is obviously reduced， effectively improving the bearing capacity and stiffness of the main beam.

Keywords： continuous box girder; combined reinforcement; external prestress; reinforcement design; concrete

预应力混凝土连续梁桥具有整体性好、结构刚度大、变形小、抗震性能好、适用于弯桥、桥面伸缩缝少和行车舒适等优点[1]。桥梁运营过程中，在各种因素作用下梁体会出现不同类型的病害，如腹板斜向裂缝、跨中底板横向裂缝、腹板竖向裂缝。上述裂缝为结构性受力裂缝，会进一步降低桥梁承载能力，影响桥梁结构安全。根据桥梁结构特点及实际施工条件，运用组合加固方法能有效提升桥梁承载能力及刚度，具有理想的经济及设计效益[2]。

1 "工程概况

某桥第6联结构型式为（25+25+30+27） m等截面预应力混凝土连续箱梁，上跨高速，位于圆曲线上，且3个连续墩均为独柱墩。上部结构采用支架现浇，梁高1.4 m。原桥面系由8 cm C40混凝土铺装层和10 cm沥青混凝土铺装层组成。该桥于2008年建成，设计荷载为公路-Ⅰ级（JTG B01—2003《公路工程技术标准》）。

本桥上部结构连续箱梁在2018—2020年期间，跨中范围内底板横向裂缝与腹板竖向裂缝由1条增长至25条，裂缝数量增长迅速，且梁端施工接缝位置处均开裂，上部结构技术状况等级为4类。2020年进行了桥梁动静载试验，试验结果表明：箱梁跨中抗弯承载能力不满足规程要求；现场实测挠度大于理论计算值，表明主梁刚度减小。且本桥不满足JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第4.1.8条对独柱墩桥梁的相关要求。基于上述原因，于2021年对桥梁进行了加固设计。

2 "桥梁加固设计

本次维修加固设计荷载维持原设计不变，即公路-Ⅰ级（JTG B01—2003《公路工程技术标准》）。加固设计主要目标为提升主梁承载能力、主梁刚度及独柱墩加固，根据桥梁结构特点采用以下组合加固方式。

2.1 "体外预应力加固

体外预应力加固法属于主动加固法，通过对结构施加适当的预应力，从而改善结构原有的应力及变形状态，从而达到提高结构承载力、混凝土的抗裂性能及耐久性的目标。为提升箱梁跨中抗弯承载能力、抗裂性能及梁端施工缝位置抗裂性能，采用体外预应力进行加固。

在箱梁腹板下缘增设体外束：增设2根直径7-φs15.2钢绞线，张拉锚固端跨过梁端施工接缝。本桥为匝道桥，上跨高速，为不影响梁底净空，体外束沿腹板下缘布置，不超过梁底。钢绞线两端张拉，张拉控制应力为1 116 MPa。施工过程中体外束应采取分级张拉，每级张拉不超过设计值的30%，并且在每级张拉完成后，要详细检查锚固处、转向处的情况。

根据现场施工条件及结构受力情况，采用混凝土锚固块，锚固块内预埋转向钢管，连续墩位置处设置混凝土转向块，其他部位通过设置钢结构转向器以实现钢束转向。为减小振动对体外预应力体系的影响，体外索每隔一定距离（不大于8 m）设置一个减震限位装置。

为了确保加固施工过程中的结构安全，在体外预应力施工时，应对箱梁主要控制截面应力、变形、体外索有效预应力和典型裂缝扩展情况进行监控。

为保证施工过程中质量把控和后期运营效果监测，在每根索一端安装一个非受力接触型磁通量传感器。磁通量传感器的测量原理是基于锚索的磁弹效应。即锚索受到荷载作用，内应力发生变化，引起锚索内部的磁场发生变化，通过测量锚索的磁导率变化，得到索力。

2.2 "粘贴钢板加固

粘贴钢板法是指将钢板胶粘于混凝土结构受拉范围或受力薄弱的位置，使新加固钢板与原混凝土结构形成整体，后期共同参与受力，从而提高混凝土结构抗弯、抗剪承载能力及刚度，同时对结构应力状态有所改善，抑制混凝土裂缝的产生[3]。该方法有以下特性：①粘钢胶干固时间短，一般粘钢后2 d即可正常受力；②施工较为简便，不需要借助大型设备，操作简便；③胶粘剂材料性能高，可与结构共同参与受力；④粘贴钢板由于截面尺寸小，对结构恒载影响小；⑤加固效果明显，可改善结构刚度及受力性能。

本项目为进一步提升连续箱梁跨中承载能力及刚度，在每孔箱梁梁底粘贴钢板，钢板材料选用Q355NHC，宽度150 mm，厚度5 mm，横桥向共16片，钢板锚栓孔间距为1 m。同时为了进一步抑制梁端施工缝开裂，在梁端底板跨施工缝粘贴钢板，钢板宽度、厚度及数量与跨中粘贴钢板相同。

2.3 "桥面重铺

增大截面加固法属于被动加固法，构件原截面要承受加固前本身的自重及因增大截面产生的自重作用，截面拉、压边的混凝土及钢筋已有初始应力或应变，加固后的总截面中，新增部分只承受加固后的荷载作用，而原截面则要承受加固前、后的恒、活载作用。截面拉、压边的混凝土及钢筋应力也分为2次叠加。

植筋技术是利用专用化学黏合剂的快速高强固化特性，将锚筋或锚栓植入原有混凝土结构中，达到与预埋钢筋一样的效果，从而连接新的混凝土结构，对原有结构进行补强加固。植筋主要是为了增加桥面铺装层和梁顶板之间的剪应力，加强混凝土结合面的黏结强度，使桥面铺装层和梁板结合更加紧密。新老混凝土黏结界面剪切性能是衡量新老混凝土加固是否成功的关键指标。

本桥采用桥面重铺的方式，同时兼顾耐久性，将桥面系更换成7 cm沥青混凝土铺装+13 cm C50防水混凝土铺装。铺装层内设置双层10 cm×10 cm D12带肋钢筋网，为保证现浇层与主梁协同受力，新做桥面铺装与原梁体采用植筋连接[4]，植筋间距为50 cm，呈梅花形布置。为提升连续墩顶位置处负弯矩安全储备，在桥面铺装内设置直径16 mm，长度10 m，间距20 cm的墩顶短筋。同时更换原桥面伸缩缝。

2.4 "独柱墩加固

本桥根据《公路危旧桥梁排查和改造技术要求》（交办公路涵〔2021〕321号）及JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（以下简称《规范》）进行了桥梁抗倾覆验算[4-5]，验算结果表明：本桥不满足《规范》第4.1.8条对独柱墩桥梁的相关要求，因此本桥进行独柱墩加固改造设计。

独柱墩桥梁抗倾覆能力提升主要是通过加强下部结构支撑来实现。本项目独柱墩无盖梁，前期方案设计考虑墩顶增设钢盖梁，由于桥墩较高，墩柱直径较小（1.5 m），墩柱抗压承载能力不足，最终采用加长中横梁，并在下方增设墩柱方式进行独柱墩加固。

新增墩柱与原墩柱间距5 m，采用直径1.1 m墩柱+直径1.2 m桩基，新增桩基与原桩基间距大于等于4 m，满足最小桩间距要求。如图1所示。

3 "有限元分析

3.1 "承载能力验算

采用Midas Civil 2019版进行结构计算。该桥计算时将主梁按照空间理论简化为单梁建模。模型离散为127个节点，126个梁单元。根据实际情况，共分成以下7个施工阶段：①支架现浇箱梁；②预应力张拉施工；③拆除支架；④桥面二恒施工；⑤收缩徐变10年；⑥桥梁加固；⑦通车运营[5]。计算模型如图2所示。

根据特殊检查结果，对桥梁各系数进行相应折减。

基于桥梁缺损状态下，通过施加体外预应力和桥面重铺等方式组合加固后，主梁抗弯承载能力提升10%～15%，主梁应力验算均满足规范要求。综上，主梁抗弯承载能力及抗裂性能均满足设计荷载使用要求。

3.2 "刚度验算

经过桥面改造后，并考虑新铺桥面现浇层与原主梁协同受力，活载作用下边跨跨中挠度由16.5 mm减小至13.0 mm，刚度提升了21.2%，桥面现浇层加厚重铺及粘贴钢板使主梁刚度得到了显著提升。

3.3 "局部应力分析

3.3.1 "锚固块局部计算分析

锚固块采用植筋与主梁相连，锚固块上施加的预应力通过植筋及剪力槽传递到主梁上，使主梁原有的应力状态发生变化。为保证结构安全，对锚固块建立局部分析模型进行应力分析十分关键[6]。本项目采用Midas FEA建立锚固块和部分箱梁的模型，离散为124 207个节点、157 282个单元。混凝土箱梁端面施加固结约束，锚垫板部位施加压力荷载。如图3所示。

计算结论如下：①由局部分析可知锚固块混凝土最大拉应力为1.1 MPa，最大压应力为14.9 MPa，均不超过C55混凝土抗拉设计强度、抗压设计强度，满足规范要求；②由细部分析可知主梁混凝土最大主拉应力为1.27 MPa，最大主压应力为14.0 MPa，均不超过C50混凝土抗拉设计强度、抗压设计强度，满足规范要求。

3.3.2 "转向器局部计算分析

转向器采用螺栓与主梁相连，预应力钢束对转向器的力通过钢板及螺栓传递到主梁上，使主梁原有的应力状态发生变化。为保证结构安全，对转向器建立局部分析模型进行应力分析十分关键[7]。采用Midas FEA建立ZB转向器钢板和预埋螺栓的实体模型，螺栓埋入混凝土的部分固结约束，钢板与混凝土接触面采用只受压约束。

计算结论如下：①钢板最大Von-Mises应力181.0lt;fy=305 MPa，满足规范要求；②螺栓最大拉力为21.2 kN＜29.6 kN，螺栓最大剪力为20.2 kN＜28.6 kN，满足规范要求；③由细部分析可知梁体混凝土最大主拉应力为1.1 MPa，最大主压应力为9.8 MPa，均不超过C50混凝土抗拉设计强度、抗压设计强度，满足规范要求。

3.4 "抗倾覆验算

在梁端曲线内侧增设抗拉拔装置，在24#墩位置处加长横梁，曲线外侧增设桥墩，改造后抗倾覆验算系数均满足要求，相关计算内容见表1。

4 "维修加固施工工艺及要点

为保证桥梁维修加固效果，使材料性能得到充分利用，同时考虑施工过程中结构安全，本桥施工工艺流程如图4所示。

一般桥梁维修加固遵循先“卸载”，再“加固”，最后“加载”的施工工序进行[6]，本项目考虑到上部结构梁体压应力安全储备较小，因此要求在张拉体外预应力前要完成桥面现浇层施工。待体外预应力张拉完成后再粘贴钢板，最后进行桥面沥青层施工。

4.1 "体外预应力施工

体外预应力施工是本工程关键工序，施工应注意以下几点。

1）植筋、浇筑锚固块：放样→钻孔及清孔→原混凝土面凿毛，植筋，焊接、绑扎钢筋，预应力管道布设→浇筑锚固块→混凝土养生。

2）体外预应力施工：体外束应对称分级张拉，每级张拉不超过张拉设计值的30%，每张拉完成一级，要详细检查锚固处及转向处的受力情况，如果发现不良情况，应停止张拉，待查明原因后采取相应补强措施再进行张拉。张拉时以张拉力及引伸量双控，张拉力控制为主，引伸量作为校核。

4.2 "梁底粘贴钢板

本桥加固钢板5 mm厚，采用手工涂胶法施工，施工工艺流程：钻孔植筋→混凝土和钢板粘合面表面处理→粘钢胶配置→粘钢胶涂敷和粘合→常温固化→防锈处理。

钢板锚栓施工应注意避开预应力钢束，并尽量将受力主钢筋及结构钢筋错开布置；粘钢前应用斩斧在粘合面上依次轻斩混凝土表面，斩斧纹路应与受力方向垂直，除去表层0.2～0.3 cm以露出砂石新面，并保证保持混凝土粘合面干燥清洁状态，同时钢板粘合面必须进行除锈和粗糙处理；粘钢胶选择A级胶，其性能需满足相关规范要求；粘贴钢板施工过程中除螺栓外，应增加外撑压设施（间距小于等于20 cm），保证钢板粘贴质量。

4.3 "增设墩柱改双支撑

1）新增桩基施工采用回旋钻，钻孔完成后应尽快放置钢筋笼浇筑桩基混凝土。为保证原桥桩基安全，在施工时加强施工监控工作。

2）按设计要求连接、绑扎墩身钢筋，从底往上分批浇筑混凝土，注意预埋垫石钢筋。

3）限制交通。按要求浇筑支座垫石（盆式橡胶支座同时需预埋支座锚栓，板式橡胶支座预埋限位螺栓及套筒）、梁底调平块，安装新增支座与梁体密贴，但不进行顶升，不改变原支座的受力状态。板式橡胶支座周边安装限位措施。

施工期间（尤其是新增桩基成孔阶段），应密切监测原柱顶的水平、竖直位移，必要时采取桥面限制偏载、对原柱设置斜撑等设施。

5 "结论

1）本桥通过组合加固的方式，有效地提高了主梁承载能力及刚度，桥梁抗倾覆能力也得到了提升。

2）为了对施工过程中的索力进行监测，本项目在每根体外索安装磁通量传感器，其同样可运用在后期体外索索力的长期观测中，为是否采取补张拉提供有力的依据[7]。

3）后期桥梁运营过程中需要关注独柱墩新增支座是否有脱空等病害，保证其能充分发挥作用。

参考文献：

[1] 戴竞，凤懋润.我国预应力混凝土公路桥的发展与现状[J].土木工程学报，1997（3）：3-10.

[2] 马兰.混凝土小箱梁桥加固方法研究[D].西安：长安大学，2014.

[3] 段与坤.粘贴钢板和碳纤维在桥梁加固中的应用研究[D].重庆：重庆交通大学，2011.

[4] 《公路危旧桥梁排查和改造技术要求》（交办公路涵〔2021〕

321号）[Z].

[5] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 3362—2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

[6] 公路桥梁加固设计规范：JTG/T J22—2008[S].北京：人民交通出版社，2008.

[7] 杨体旭.基于磁通量传感技术的体外预应力监测研究[D].柳州：广西科技大学，2013.