浅谈大跨连续刚构桥加固工程中体外预应力的应用
2015-08-26
随着我国大吨位预应力体系的生产和发展以及结构计算手段的改进,连续刚构桥在工程领域得以广泛应用。近20多年来，国内修建了不少连续刚构桥。然而由于各种原因，部分连续刚构桥出现预应力损失过大、跨中下挠过大、主梁混凝土普遍开裂等病害。由于体外预应力加固技术是一种主动加固补强法，对主梁结构主动施加有效预应力，从而提高结构承载能力、改善结构受力状态、适当恢复结构线形，阻止跨中继续下挠、部分裂缝闭合等优点，同时，体外预应力加固技术具有施工方便、运营干扰小、结构损伤小、快速高效、易于检测和更换等特点，被认为是预应力混凝土连续刚构桥的主要加固方法。本文通过一工程实例来阐明这种加固方法,并对其加固效果进行分析。
1 某连续刚构桥体外预应力加固设计
1）工程概况
某桥建成于2006年，主桥桥跨结构布置为140m+240m+140m的预应力混凝土连续刚构桥(见图1);箱梁为三向预应力混凝土结构，采用单箱单室，桥面宽22m，根部及0号块梁高为13.5m，箱梁跨中及边跨支架现浇段梁高为4.0m;设计荷载:汽车-超20级，挂车-120，人群-3.5kN/m2。
桥梁结构现状病害，跨中下挠并持续增加，2008年桥面标高比竣工桥面标高低31.7cm，；箱梁腹板大范围内纵向开裂，且无规律；跨中合拢段箱梁底板混凝土开裂、崩裂，顶板纵向裂缝较多，两边跨端部箱梁顶板裂缝较多，端横隔板裂缝较多。
2）体外预应力加固设计
为准确检算结构的承载能力，进行体外预应力加固设计，现以挠度、应力拟合法建立实桥结构现状相符的结构损伤模型，并采用横向活载增大系数将箱梁桥空间问题简化成平面问题进行计算。因此利用桥梁结构专业软件建立全桥结构有限元模型。根据2008年的桥面标高比竣工标高低32cm进行挠度、应力拟合法进行试算，当中跨底板纵向有效预应力折减20%时，预应力损失导致跨中下挠11.5cm；收缩徐变导致跨中下挠17.9cm;温差导致踌中下挠1.83cm，其下挠总量31.23cm与32cm接近。当竖向预应力计入30%时，箱梁的最大主拉应力为3.07mpa，超时混凝土的抗拉设计强度值2.45mpa,即混凝土开裂。因此，中跨底板纵向预应力损失20%，坚向预应力计入30%的结构损伤模型与桥梁结构现状相符。桥梁结松承载能力检算结果。
基于以上结构的承载能力检算进行体外预应力加固设计，其加固设计方案主中跨增设体外预应力束，分别锚固于0号块横隔板边跨侧，共增设12根Φj15.2～19的体外预应力束，通过四个转向板分三批进行下弯，下弯角度分别为9.1°、7.6°、5.7°；箱梁腹板、顶板粘贴钢板进行加固。
2 体外预应力技术加固效果评价
1）加固效果的理论评价
检算加固前后连续刚构桥的应力、挠度、承载能力是评价体外预应力加固连续刚构桥的重要指标。
以下主要从应力、挠度、承载能力三方面的理论计算结果对连续刚构桥体外预应力加固效果进行分析评价，现将控制截面的计算结果。
由表2可知，加固后主梁结构受力得到显著的改善，主要表现在以下几个方面:
①抗弯承载能力最大提高4.9%，全桥受力情况得到改善，且中跨悬臂端、1/8中跨截面的承载能力分别提高3.7%,4.6%;
②主梁中跨主拉应力显著降低，特别是跨中降低了1.91MPa，且最大主拉应力截面由3.07MPa降到2.65MPa。
③加固后中跨位移均不同程度的提高，跨中最大上挠值为2.01cm。
2）加固效果的实测评价
由于张拉体外预应力束前，发现跨中合拢段上游侧底板下缘存在混凝土崩裂、波纹管及钢筋外露等严重病害。为慎重起见，暂停了大桥体外预应力的张拉工作，为消除新增荷载对大桥产生的不利影响，先张拉了T3,T4体外预应力束。通过对张拉体外预应力束T3,T4的监测结果进行分析评价，得出张拉T3,T4体外预应力束后，主梁结构变形、控制截面的混凝土应力或应变变化正常，未出现明显偏离设计预期值。最后根据张拉T3,T4的监测结果和该桥的特殊检测报告，张拉余下体外预应力束。
由施工监控的实测应变、挠度、裂缝等监测结果进行加固效果评价，体外预应力技术加固连续刚构桥能显著的改善结构的受力，主要体现在以下方面:
①张拉体外预应力过程中，主梁变形、控制截面混凝土应力正常，变化规律和数值与理论分析结果基本一致，达到加固设计的目的。
②中跨主梁结构线形均有不同程度的上挠，且跨中最大上挠20mm与基本理论值相符;
③主梁底、顶板混凝土压应力或应变均有不同程度的提高，其中跨中底板混凝土应力最大增加了2.25MPa，顶板混凝土应力最大增加了0.66MPa，跨中截面下缘的压应力储备提高;
④在体外预应力束张拉过程中，跨中底板横向裂缝有不同程度的闭合，纵向裂缝有轻微增加，无混凝土块塌落。
3 结论
体外预应力技术加固连续刚构是一种有效的主动加固方法，且加固效率高，效果显著。通过理论、实测结果表明连续刚构桥采用体外预应力技术加固能适当恢复结构线形，阻止跨中继续下挠;增加主梁的压力储备，降低主拉应力;部分裂缝闭合及阻止裂缝继续扩展与混凝土开裂等。将体外预应力技术用于连续刚构桥的加固,采用现有施工手段即可实现,加固方法易于被工程所接受,为今后连续刚构桥的补强及承载潜力的提高提供了较好的途径。因此，采用体外预应力加固连续刚构桥是改善结构受力的行之有效方法。为同类桥梁加固设计工程积累经验。
