箱梁体外预应力加固效果的分析
2015-06-23
0、引言
目前，国内一些重要高速公路交通运输日益繁忙，经过多年运营，在交通量不断增加和超载车辆的作用下，部分桥梁出现了较为明显的结构性病害，有必要进行处治加固。文中以深圳梅观高速公路改扩建工程中某座钢筋混凝土连续箱梁桥为例，着重研究在采用体外预应力加固前、后箱梁结构内力及承载力的变化情况，说明体外预应力加固效果的可行性及实用性。
1、桥梁概况
该桥上部结构为（20+30+20）m的现浇钢筋混凝土连续箱梁，箱梁梁高1.7m，单箱双室断面，顶板宽度为12.0m，底板宽度为7.6m，悬臂长度为2.0m，箱梁腹板厚度为30～50cm，箱梁跨中截面顶板厚度25cm、底板厚度20cm。原桥设计荷载为汽－超20，挂－120。
经过多年运营，各跨底板在桥跨1/4～3/4范围内均有横桥向裂缝产生，缝宽基本介于0.05～0.20mm之间，最大缝宽达0.32mm，缝长基本介于0.20～2.00m之间，裂缝间距介于0.10～0.80m之间，部分裂缝延伸至腹板；另外，腹板除与底板连通的裂缝外，还有大量竖向裂缝，裂缝宽度基本介于0.05～0.20mm之间，最大缝宽达0.45mm，缝长介于腹板高度的1/3～2/3之间，少量裂缝竖向贯通腹板。
2、桥梁上部结构主要病害成因分析
本桥上部为钢筋混凝土箱梁结构，主跨跨径为30m，梁高为1.7m，梁高偏低。承载能力计算结果显示箱梁跨中抗弯承载能力不足，因而导致跨中区域产生大量横向裂缝；底板横向裂缝继续沿伸至腹板，造成腹板竖向开裂。
3、加固思路
通过在箱梁腹板外侧布置齿板及转向块，增设体外预应力钢束，在体外预应力钢束张拉完毕后，浇筑腹板加厚段增大箱梁截面来提高箱梁的承载力。
预应力钢束设置在箱梁边腹板外侧，N1、N2钢束两端分别锚固于距梁端1.3m处箱梁腹板上，每侧腹板均设置2根5Φs15.2mm的体外预应力钢束；N3钢束两端分别锚固于中跨距中墩1m处箱梁腹板上，每侧腹板均设置1根5Φs 15.2mm的体外预应力钢束；全桥N1、N2、N3共6根钢束。
4、计算分析
（1）有限元建模
采用桥梁通用有限元综合程序MIDAS Civil 7.41进行分析，建立空间梁格有限元模型。
加固前、后结构计算模型图。
主要计算参数及荷载组合
表1 主要计算参数
40号混凝土弹性模量 3.3×104Mpa
采用温度梯度 升温梯度T1=14℃、T2=5.5℃；降温梯度T1=-7℃、T2=-2.75℃
支座沉降 0#、3#台考虑6.7mm，1#、2#墩考虑8.3mm
组合Ⅰ 恒载（结构重力）+汽车
组合Ⅱ 恒载（包括结构重力、混凝土收缩及徐变影响力、基础变位影响力）+汽车+温度影响力
组合Ⅲ 恒载（结构重力）+挂车
（2）加固前箱梁内力计算
经计算，加固前，在承载能力极限状态最不利荷载组合下箱梁弯矩图如下。
（3）加固后箱梁内力计算
经计算，加固后，在承载能力极限状态最不利荷载组合下箱梁弯矩图如下。
（4）箱梁控制截面抗弯承载能力验算
本桥体外钢束张拉控制应力取：=1116MPa，同时应考虑体外钢束在张拉过程中的预应力损失。
加固后抗弯承载力采用以下公式计算：
其中，体外索的水平钢束极限应力按下式计算：
其中，C为截面中性轴到混凝土受压区顶面的距离，其它参数定义参见参考文献1。
箱梁控制截面承载能力计算结果。
加固前 弯矩(kN.m) Mu Mj Mu/Mj
边跨跨中 15067.8 15474.6 0.97
中跨跨中 20748.3 25302.8 0.82
中支点 29152.3 31352.2 0.93
加固后 弯矩(kN.m) Mu Mj Mu/Mj
边跨跨中 17666.2 16549.3 1.07
中跨跨中 31212.8 27868.6 1.12
中支点 31130.5 29025.2 1.07
5、计算结果分析
（1）验算结果表明，加固后箱梁跨中截面弯矩较加固前有所增大，支点截面弯矩较加固前有所减小，箱梁控制截面承载能力显著提高。加固后箱梁控制截面抗弯承载能力满足规范要求，中跨跨中截面抗弯承载能力安全系数为1.12，边跨跨中截面抗弯承载能力安全系数为1.07。
（2）张拉体外预应力在结构中会产生次内力，导致箱梁跨中截面内力较加固前有所增大，所以在进行体外预应力设计时，要反复对比试算，在满足构造要求的前提下，尽量使次内力最小，同时保证最有效地提高结构承载能力。
6、结束语
（1）与粘贴钢板、粘贴纤维材料等加固方法相比，增设体外预应力属主动加固，可有效提高结构的承载力，同时配合增大截面加固法可提高结构刚度，改善结构的受力状态，是目前针对混凝土梁桥的一种有效加固方法。
（2）采用体外预应力对箱梁进行加固时，钢束锚固点横桥向应尽量靠近顶板与腹板的倒角处布置，纵桥向应尽量靠近箱梁端横梁及中横梁处布置，这些位置结构刚度较大，便于预加力的传递。如将锚固点布置在较为薄弱的中间腹板断面位置，在体外预应力钢束张拉力的作用下，锚固点附近原箱梁腹板混凝土会产生较大的拉应力。
（3）体外预应力加固对施工工艺要求较高，应在体外预应力加固施工期间对结构控制截面的应力和变形等进行施工监控，以保证结构和施工安全。
