箱梁體外預應力加固效果的分析

0、引言

目前，國內一些重要高速公路交通運輸日益繁忙，經過多年運營，在交通量不斷增加和超載車輛的作用下，部分橋梁出現了較為明顯的結構性病害，有必要進行處治加固。文中以深圳梅觀高速公路改擴建工程中某座鋼筋混凝土連續箱梁橋為例，著重研究在采用體外預應力加固前、后箱梁結構內力及承載力的變化情況，說明體外預應力加固效果的可行性及實用性。

1、橋梁概況

該橋上部結構為（20+30+20）m的現澆鋼筋混凝土連續箱梁，箱梁梁高1.7m，單箱雙室斷面，頂板寬度為12.0m，底板寬度為7.6m，懸臂長度為2.0m，箱梁腹板厚度為30～50cm，箱梁跨中截面頂板厚度25cm、底板厚度20cm。原橋設計荷載為汽－超20，掛－120。

經過多年運營，各跨底板在橋跨1/4～3/4范圍內均有橫橋向裂縫產生，縫寬基本介于0.05～0.20mm之間，最大縫寬達0.32mm，縫長基本介于0.20～2.00m之間，裂縫間距介于0.10～0.80m之間，部分裂縫延伸至腹板；另外，腹板除與底板連通的裂縫外，還有大量豎向裂縫，裂縫寬度基本介于0.05～0.20mm之間，最大縫寬達0.45mm，縫長介于腹板高度的1/3～2/3之間，少量裂縫豎向貫通腹板。

2、橋梁上部結構主要病害成因分析

本橋上部為鋼筋混凝土箱梁結構，主跨跨徑為30m，梁高為1.7m，梁高偏低。承載能力計算結果顯示箱梁跨中抗彎承載能力不足，因而導致跨中區域產生大量橫向裂縫；底板橫向裂縫繼續沿伸至腹板，造成腹板豎向開裂。

3、加固思路

通過在箱梁腹板外側布置齒板及轉向塊，增設體外預應力鋼束，在體外預應力鋼束張拉完畢后，澆筑腹板加厚段增大箱梁截面來提高箱梁的承載力。

預應力鋼束設置在箱梁邊腹板外側，N1、N2鋼束兩端分別錨固于距梁端1.3m處箱梁腹板上，每側腹板均設置2根5Φs15.2mm的體外預應力鋼束；N3鋼束兩端分別錨固于中跨距中墩1m處箱梁腹板上，每側腹板均設置1根5Φs 15.2mm的體外預應力鋼束；全橋N1、N2、N3共6根鋼束。

4、計算分析

（1）有限元建模

采用橋梁通用有限元綜合程序MIDAS Civil 7.41進行分析，建立空間梁格有限元模型。

加固前、后結構計算模型圖。

主要計算參數及荷載組合

表1 主要計算參數

40號混凝土彈性模量 3.3×104Mpa

采用溫度梯度 升溫梯度T1=14℃、T2=5.5℃；降溫梯度T1=-7℃、T2=-2.75℃

支座沉降 0#、3#臺考慮6.7mm，1#、2#墩考慮8.3mm

組合Ⅰ 恒載（結構重力）+汽車

組合Ⅱ 恒載（包括結構重力、混凝土收縮及徐變影響力、基礎變位影響力）+汽車+溫度影響力

組合Ⅲ 恒載（結構重力）+掛車

（2）加固前箱梁內力計算

經計算，加固前，在承載能力極限狀態最不利荷載組合下箱梁彎矩圖如下。

（3）加固后箱梁內力計算

經計算，加固后，在承載能力極限狀態最不利荷載組合下箱梁彎矩圖如下。

（4）箱梁控制截面抗彎承載能力驗算

本橋體外鋼束張拉控制應力?。?1116MPa，同時應考慮體外鋼束在張拉過程中的預應力損失。

加固后抗彎承載力采用以下公式計算：

其中，體外索的水平鋼束極限應力按下式計算：

其中，C為截面中性軸到混凝土受壓區頂面的距離，其它參數定義參見參考文獻1。

箱梁控制截面承載能力計算結果。

加固前 彎矩(kN.m) Mu Mj Mu/Mj

邊跨跨中 15067.8 15474.6 0.97

中跨跨中 20748.3 25302.8 0.82

中支點 29152.3 31352.2 0.93

加固后 彎矩(kN.m) Mu Mj Mu/Mj

邊跨跨中 17666.2 16549.3 1.07

中跨跨中 31212.8 27868.6 1.12

中支點 31130.5 29025.2 1.07

5、計算結果分析

（1）驗算結果表明，加固后箱梁跨中截面彎矩較加固前有所增大，支點截面彎矩較加固前有所減小，箱梁控制截面承載能力顯著提高。加固后箱梁控制截面抗彎承載能力滿足規范要求，中跨跨中截面抗彎承載能力安全系數為1.12，邊跨跨中截面抗彎承載能力安全系數為1.07。

（2）張拉體外預應力在結構中會產生次內力，導致箱梁跨中截面內力較加固前有所增大，所以在進行體外預應力設計時，要反復對比試算，在滿足構造要求的前提下，盡量使次內力最小，同時保證最有效地提高結構承載能力。

6、結束語

（1）與粘貼鋼板、粘貼纖維材料等加固方法相比，增設體外預應力屬主動加固，可有效提高結構的承載力，同時配合增大截面加固法可提高結構剛度，改善結構的受力狀態，是目前針對混凝土梁橋的一種有效加固方法。

（2）采用體外預應力對箱梁進行加固時，鋼束錨固點橫橋向應盡量靠近頂板與腹板的倒角處布置，縱橋向應盡量靠近箱梁端橫梁及中橫梁處布置，這些位置結構剛度較大，便于預加力的傳遞。如將錨固點布置在較為薄弱的中間腹板斷面位置，在體外預應力鋼束張拉力的作用下，錨固點附近原箱梁腹板混凝土會產生較大的拉應力。

（3）體外預應力加固對施工工藝要求較高，應在體外預應力加固施工期間對結構控制截面的應力和變形等進行施工監控，以保證結構和施工安全。