桥梁结构盖梁体外预应力加固设计及施工实例分析

桥梁结构盖梁体外预应力加固设计及施工实例分析

摘 要：体外预应力加固方法是提高桥梁承载能力、改善其受力性能的一种简单易行的方法。本文对体外预应力加固高架桥盖梁时体外预应力筋的布置、预应力损失以及内力增量的计算等技术细节进行了分析研究。为今后类似工程提高设计、施工及监理等工程资料。

关键词：体外预应力；加固；桥梁

1 工程概况

某高架桥桥位为第四纪沉积层地形基本平坦东端略低而西端略高，地层自上而下依次为人工堆积层、圆砾卵石层、粘质粉土层、粉质粘土层以及粉质粘土粘质粉土层。本区段地下水可分为上层滞水、潜水和承压水潜水含水层主要为细砂层，水位埋深为15.85m，水头标高为8.12～15.33m，承压含水层为圆砾卵石层。高架桥桥全长1288m，共四跨连续梁组成，除第六联为三跨连续钢混结合梁外其余均为三孔预应力混凝土连续梁组成。

2 主要病害及其成因分析及加固设计计算分析

对该高架桥进行全面的结构普查，普查报告中对盖梁情况综述为：在检查的盖梁中发现该梁存有露筋、混凝土局部脱落等病害且表面均有损伤其中宽度大于0.5mm混凝土表面裂缝的盖梁外观局部破损与局部裂缝较多在盖梁上顶面与下底面的裂缝形式与分布部位多样发现有横向连续裂缝，针对该桥的病害进行了现场勘察以便进一步了解该高架桥下部构造的实际状况。

2.1 主要病害及其成因分析

通过现场勘察、分析，下部构造主要病害归纳为：在抽查的桥墩中发现多个盖梁跨中附近下缘因存在空洞而出现不规则开裂且部分盖梁因抗裂钢筋不足与施工工艺差等原因造成的，在盖梁侧表面产生沿横桥向的裂缝有5个盖梁在跨中附近下缘发现存在沿桥梁纵向贯穿盖梁的裂缝。

部分盖梁上缘存在竖向裂缝与沿桥梁纵向贯穿裂缝，缝宽最大已超过0.2mm，少数盖梁在墩柱附近存在斜向裂缝的宽度多位于0.4mm内，裂缝深多为2～5mm，其原因主要为施工工艺不当。

2.2 体外预应力加固设计技术要点分析

由于桥梁养护施工资料不足，无法判断这些病害所导致的盖梁裂缝产生的时间，不能够准确予以确定施工工艺差或步骤不当造成的损害，在施工过程中产生裂缝，从对桥墩盖梁的计算结果显示来看，该桥盖梁在设计理想状态下是符合部分预应力混凝土A类结构构件的使用性能要求。对盖梁上缘与跨中截面附近下

缘已出现沿桥梁纵向贯穿的结构受力裂缝的盖梁，采用体外预应力法进行加固补强。盖梁水泥混凝土的实际抗压和抗折强度未达到设计强度等级要求，无法承担过大的拉应力其抗拉强度偏低；在实际的使用过程中，由于其有效预应力损失过大，其有效预应力偏低，其控制截面混凝土因承受过大拉应力而开裂。根据结构计算结果可以看出，在设计荷载作用下，盖梁上缘基本处于预压应力状态，但跨中下缘在最不利荷载作用下产生的拉应力，因而分析盖梁上缘的裂缝主要系施工工艺不当所致，而跨中下缘沿桥梁纵向贯穿的裂缝因有效预应力偏低或混凝土强度偏低产生。无法进一步查询其产生的真实原因考虑未查询到竣工资料有关记录并鉴于静载试验过程中其裂缝有进一步扩张的趋势并随着试验荷载的不断增加下，因而加固根据最不利原则，对盖梁跨中截面下缘已出现沿桥梁纵向贯穿裂缝的盖梁进行加固。

2.2.1 体外预应力筋的选择

考虑本桥的特点、体外预应力的特性及耐久性要求，拟选择环氧喷涂且有双层PE护套的高强度低松弛无黏结筋作体外预应力筋。

2.2.2 体外预应力筋用量及形式的确定

体外预应力束的用量的控制值：若体外预应力束设置过量盖梁局部压应力值过大而超过规范允许值，不仅造成浪费还增加了工程造价；若体外预应力设置较少，就不能起到很好的加固作用。因此，在对桥梁的检测过程中出现了盖梁支点与跨中控制截面，沿桥梁纵向的贯穿于结构受力方向的应力裂缝，但是结构在恒载作用下经过验算本加固增设的体外预应力值，以能平衡汽车荷载产生的应力值为最佳预应力用量。依然是可靠且安全的。

2.2.3 预应力束的设置形式

预应力束的设置形式需综合考虑的四个因素是桥梁预应力加固的效果好坏、锚固块的设置是否方便合理、转向块的设置是否便于施工以及最低的配筋率。为使预应力筋尽量靠近盖梁，以减小新老混凝土结合面的拉应力，因而施工图设计中采用偏锚，并在每束预应力束上设置支承支架（起支承与减振作用）。预应力束的布置形式如图1所示。

2.3 体外预应力加固设计计算

为了分析结构病害的成因与维修加固工艺的确定，进而为施工图设计提供理论基础数据，需要分析桥下部构造在设计荷载作用下实际受力状况是否符合原交通部颁布《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中部分预应力混凝土A类构件使用要求。

3 体外预应力加固维修设计原则

加固维修设计以该高架桥恢复至原设计状态为基本原则，桥墩符合部分预应

力混凝土A类构件使用要求。因而全桥仅对盖梁上缘与跨中下缘存在沿桥梁纵向贯穿开裂的盖梁进行加固补强。维修后大桥技术标准与原设计标准相同，桥面净空与原桥相同，在设计理想状态下计算荷载与技术参数有设计荷载采用汽车-超20级、挂车-120、人群-3. 5kN/m2。

3.1 计算方法

经综合计算桩柱等效高度为15.8m，为便于计算分析将桩基础与墩柱按照等刚度原则换算为一端自由和一端固结的结构模式，换算后结构模型中基础周边土体对桩基不产生作用。

3.2 结构计算模型分析

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第8.2.1条规定：跨中截面下缘最大拉应力的墩台盖梁与墩柱应按刚构计算，该桥桥墩盖梁在设计理想状态下符合部分预应力混凝土A类构件使用要求，盖梁在最不利荷载作用下支点截面上缘未出现拉应力状况。采用实体单元计算出的控制截面的控制应力均比采用梁单元计算结果小，结构各部位最大压应力亦小于其抗压设计强度值，上部构造横向分布采用杠杆法计算出的盖梁控制截面、控制应力明显较按铰接板法计算结果更为不利，梁单元计算模型中墩柱与盖梁之间连接为点连接，而空间有限元模型为面连接更符合实际结构，这说明桥梁上部构造横向整体受力性能直接关系到下部构造的受力计算模型如图2所示。

4 体外预应力加固施工工艺

鉴于大桥维修工艺多具特殊性，且工程量较小，并多涉及隐蔽工程，建议业主选择具有相应资质与有类似工程施工经验的单位进行施工，并聘请具有旧桥维修加固经验的工程师进行监理。施工过程中应严格按照各维修要素相应的规范、规程进行操作，特别注意以下几点：

本维修施工图设计系是在现场勘察结果的基础上编制完成的，因而在实际施工过程中，若发现实际病害与本桥施工图设计中描述不符，应及时通知设计单位进行变更。盖梁体外束在张拉时，应严格对控制截面张拉效果，并采用双控法对张拉效应进行控制；盖梁体外预应力应以盖梁纵桥宽度方向的中心线为对称轴采用斜对称分批张拉，以免盖梁在体外预应力束张拉过程中产生扭转。

体外预应力束应严格采用环氧涂层无黏结筋的专用锚具，以免张拉过程中对环氧涂层产生破坏，而影响体外束使用耐久性。应切实加强体外预应力锚固块混凝土内的锚筋施工质量，施工完成后应抽取不少于5%的锚筋进行抗拔试验，要求每根锚筋抗拔力不小于35kN。

体外预应力束的张拉要求采用单根张拉法逐根张拉，在盖梁上钻锚固孔时应严格控制钻孔位置与深度，以免对盖梁内原有预应力筋产生破坏。派专人进行跟踪观察，并通过本次维修建立起较全面的桥梁档案与监测控制系统，为以后大桥

养护与安全监测提供完整的资料与依据。

5 结语

体外预应力加固桥梁的方法具有安全性和可操作性，且经济性合理等诸多优点，它具有十分明显的经济和社会效益，应当加强这方面的研究。目前在国际上只有少量应用，我国在这方面的研究尚在起步，所以在这方面的研究经验及实践极少。但施工时间短，能大批量施工，故该技术在类似的工程项目中值得推广。

参考文献

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