体外预应力在混凝土连续梁桥加固中的应用.pdf

2 0 1 0年第3 期 广 东 公 路 交 通 G u a n g D o n g G o n g L u J i a o T o n g 总第 1 1 2 期 文章编号： 1 6 7 1 7 6 1 9 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 5 0 0 3 体外预应力在混凝土连续梁桥加 固中的应用 杨 日发 ( 广东省高速公路有限公司河源分公司， 广东河源5 1 7 0 0 0 ) 摘要： 主动加固的体外预应力法正逐步应用于病害桥梁的处理中。以某大桥为例， 介绍了体外预应力法在大跨 度预应力混凝土连续箱梁桥加固中的应用， 以供同类桥梁参考。 关键词 ： 预应力混凝土；连续梁；体外预应力；主动加固 中图分类号 ： U 4 4 5 7 2 文献标识码 ： C 0 引言 随着我国交 通事业 的发展 ， 越来越多 的桥梁 在运营多年后即出现诸 如混凝土构件开裂等各种 病害， 亟待维修加固处理。其中以混凝土梁桥较 为常见， 病害也较为突出。针对其结构病害， 目前 常用的加固方法主要有增 大截 面法、 粘贴钢板 纤 维法和体外预应力法， 必要时也可通过改变结构 体系来改善其受力状态。在上述几种方法中， 体 外预应力法因其技术水平较高， 施工难度较大， 一 般较少采用 ， 但 随着近年来 大跨径桥梁 的病害越 来越突出， 在全国范围内也出现了不少采用体外 预应力加固的成功范例 ， 某高速公路一座 四跨预 应力混凝土连续梁桥的加 固即采用了该法 。 1 体外预应力体系组成 一 般来说， 体外预应力体系由体外预应力索、 转向系统 、 锚固系统和防腐系统 四部分组成。 体外预应力索( 体外索 ) 是体外预应力体系的 主要传力构造 ， 由体外预应力 钢束及其外护套等 组成 ， 也可采用热挤高密度聚乙烯( H D P E) 钢绞线 或钢丝成品索。体外索通过转向系统完成折线索 的布置 ， 通常采用混凝土结构 ， 内设转 向器， 转 向 器又有整体式和分丝式之分。体外索通过锚固系 统锚固于梁体 ， 根据实 际情况 可采用混凝土结构 或钢锚箱 ， 锚具有可调 、 不可调和可换 、 不可换 之 分。防腐系统是整个体外预应力体系长期正常工 作的保证， 对结构的耐久性和桥梁运营安全有着 重要影响， 包括体外索 自身的防腐和锚固区段的 防腐。 在体外索 自由长度较长 时， 为 了减小 因运 营 5 0 车辆引起 的索 体振 动对体 外索及 结构 的不利影 响 ， 通常还设置减振系统 。 2 体外预应力法加 固 体外预应力法加固属主动加固， 通过施加体 外预应力以改变结构应力状态， 提高构件承载力， 改善梁体线形。该法仅适用于混凝土抗压强度较 高的结构， 根据 公路桥梁加固设计规范 ， 其混凝 土强度等级不应低于 C 4 0 。 由于施加体外预应力将主动改变梁体原有 的应力状态 ， 预应力施 加过大可能导致主梁受力 更为不利 ， 而施加 太小则 达不 到加 固效果 ， 需要 根据结构现有应力状态合理地施加预应力 ， 因而 对结构受力状 态 的准确模 拟显得 尤为重要 。在 有条件的情况下， 可通过针对性的结构现场荷载 试验来推定构件刚度分布等主要结构参数， 还可 以根据主梁实测线形 、 梁 体实际裂缝 分布等来推 定结构预应力 损失 的情况 。但是 上述推定 均在 一 定的假设基础上 ， 不 能也无 法完全反映结构 的 真实受力状态， 因而在采用体外预应力法进行加 固设计时采用 “ 包 络设 计 ” 的思 想是必要的也是 可行的。 从近年大跨径预应力混凝 土连续结构呈现 的 病害来看 ， 主要表现为顶板纵 向开裂 、 腹板斜向开 裂 、 施工缝开裂 、 合拢段开裂 以及主梁下挠等， 究 其原因， 主要与结构自身的构造特点、 设计理念的 局限性、 施工工艺及控制以及桥梁运营期间的实 际荷载等有关。采用体外预应力法可以弥补结构 部分的额外预应力损失， 改善梁体应力分布， 促进 裂缝的闭合， 提高结构的耐久性、 整体性及刚度， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年第 3 期 杨 日 发体外预应力在混凝土连续梁桥加固中的应用 总第 1 1 2 期 改善结构的线形及后期变形趋势 ， 可根据结构实 际状态及病害程度选择该法进行加固。 3 工程实例 3 1 工程概 况 某高速公路跨江特大桥， 桥梁全长 6 5 2 1 l m， 主桥为四跨连续梁 ， 跨径 布置 为 4 5 m + 2 X 8 0 m+ 4 5 m。桥面全宽 2 4 5 m， 左 右幅分离 ， 单幅车行道 净宽 1 1 3 8 m。主桥箱梁采用变高度单箱单室截 面， 5 0号混凝土 ， 三向预应力体 系。设计荷载等级 为汽车 一超 2 O 、 挂车 一1 2 0级。 3 2 结构病害 在近年的桥梁定期检查 中发现该桥存在着以 下主要病 害 ： 顶 板纵 向开 裂 ， 裂缝 沿纵 向通长分 布； 腹板斜向开裂， 主要集 中在中跨四分点附近， 裂缝最大宽度 0 4 5 m m， 裂缝在箱梁内外侧腹板均 有分布 ， 有较好的对应关系 ， 裂缝形态及走 向在跨 中两侧具有较好 的对称性 ， 而在历次 的检查 中发 现该类裂缝在逐年发展 ； 施工缝开裂， 以中跨 中最 为严重， 最大裂缝宽度 0 5 m m； 中跨合拢段腹板竖 向开裂、 底板纵 向开裂 。以上病害均 以重车通行 较多的右幅桥较左幅桥严重 ， 其 中顶 板裂缝 已采 用粘贴玻璃纤维加固。 根据结构线形观测结果， 右幅桥主梁中跨中 标高较设计状态低 6 c m。 3 3 病害原因分析 结合预应力混凝土连续箱梁构造及施工 的特 点， 对本桥梁上述病害的主要成因分析如下 ： 顶板裂缝 ： 预应力 混凝 土箱梁在顶板 内布置 负弯矩钢束， 在纵向预应力作用下顶板混凝土由 于泊松效应产生横向拉应力， 进而在运营汽车荷 载作用下产生横向开裂。由于施工工艺控制等的 影响， 横向预应力张拉效果较为难 以保证 以及混 凝土早期收缩变形也是顶板开裂的原因之一 。 腹板裂缝 ： 箱梁腹板斜 裂缝主要是 由于结构 抗剪能力不足引起 的。( 1 ) 在早期桥梁优化设计 思想的指导下， 结构构件尺寸偏小： 梁高偏矮、 腹 板偏薄。( 2 ) 本桥采用竖 向预应力来提高构件 的 抗剪强度， 但是由于其 自身梁高较矮， 竖向预应力 筋较短， 自 身损失较大， 且由于张拉工艺控制的原 因， 竖向预应力张拉 的效果往往不理想。( 3 ) 结构 设计对 日照温差按顶板升温 5 C考虑 ， 与实际情况 存在较大偏差， 低估 了实际温度梯度荷载 的作用 ， 导致设计分 析箱梁 主拉 应力偏小 。( 4 ) 实际运营 荷载大大超过设计 荷载 ， 导致结构 长期 超负荷工 作 ， 并呈现一系列结构性或非结构性的病害。 箱梁施工缝及合拢段裂缝： 施工缝及合拢段 裂缝主要与该类 桥梁 采用悬 臂浇筑 施工方法有 关。( 1 ) 箱梁逐段悬浇， 新 旧混凝土结合处是结构 的薄弱面 ， 受施工工艺等的影 响， 易在施工阶段即 存在初始缺 陷， 并在 后期 运 营荷载作 用下开裂。 ( 2 ) 合拢段腹板竖 向裂缝和底板横向裂缝 主要是 由于该处施工缝质量不 良， 预应力施加效果未能 达到预期 ， 导致构件局部预应力不足 ， 进而在运营 荷载的作用下开裂 。底板纵 向裂缝 主要是由于收 缩引起的， 合拢束泊 松效应产生 的横 向拉应力是 其诱 因之一。 3 4 加固措施 针对主梁腹板 、 施工缝 及合拢段病害， 根据荷 载试验反 映的结构实 际受力状态 ， 对 主梁采用主 动与被动相结合的方法进行加固： ( 1 ) 对两 8 0 m主 跨施加体外预应力， 以提高主梁结构预应力度， 补 偿实际结构部分梁段 预应力度不足 ， 同时可改善 结构的变形趋势， 抑制结构下挠； 体外索成对布 置、 分散锚固， 共布置两 对 l 9一 1 5 m m钢绞线， 一 对锚固于次边墩顶 ， 一对锚固于箱梁底板。( 2 ) 对中跨腹板斜 向开裂处 粘贴斜 向钢板 ， 对箱梁底 板施工缝开裂处粘贴 纵向钢板 ， 对合拢段腹板粘 贴纵 向钢板 ， 以提高结构刚度 ， 改善原有钢筋及混 凝土的受力状态 ， 限制裂缝 的进一步发展。( 3 ) 对 箱梁裂缝进行处理 ， 提高结构 的耐久陛。 加固施工的顺序为： 先封闭裂缝， 再施加体外 预应力 ， 最后粘贴钢板。 3 5 加 固效 果 加固施工期间进行了施工监测。以左幅桥为 例 ， 监测结果显示 ： 锚 固于墩顶 的长索先张拉 ， 实 测应变大于理论值 ， 可能与张拉期 间结构对体外 预应力的自适应过程有关； 锚固于底板的短索后 张拉 ， 张 拉后 主梁 中跨 跨 中下 缘 压应 力增 加 了 0 9 1 MP a ， 上缘压应力增加 了 0 6 7 MP a ， 均与理论 值相吻合。体外预应力张拉后， 腹板斜裂缝和施 工缝均有明显的闭合 ， 中跨上拱 8 5 ra m。 上述结果 表 明， 体外预应力 的施加使得结构 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 3期 广东公路交通 总第 1 1 2期 受力有了较为明显 的改善 。而结构整体的加 固效 果将在桥梁后续的运营过程进一步体现出来。 4 问题探讨 ( 1 ) 体外预应力不宜施加过大， 设计中应特别 注意施加体外预应力对截面压应力的影响。 ( 2 ) 在可能的情况下 ， 通过桥面铺装改造实现 中跨中减载可以提高体外预应力加固的效果。 ( 3 ) 体外预应力索通常选择钢绞线， 有条件时 建议选用热挤 H D P E成 品索 ， 可以减小穿索过程 对钢绞线的损害 ， 同时也 有利于钢绞线 的长期防 护 。 ( 4 ) 体外预应力的锚固应可靠。锚固位置可 根据实际情况选择 ， 为了便于施工 ， 锚 固块一般选 择混凝土结构 ， 新旧混凝土问以植筋连接， 并刻设 剪力槽 。 ( 5 ) 受施工操作空间的影 响， 结构新增混凝土 可选择 自密实免振捣混凝土。从 本桥实践来看， 该混凝土可较好地满足施工需要 ， 其拌合物及硬 化混凝土各项性能指标均可满足要求 。当新增锚 固块混凝土体积较大时应注意养护， 防止收缩裂 缝的出现而影响构件耐久性。 ( 6 ) 体外预应力张拉前应保证体外索传力的 平顺 ， 特别是锚固块和转向块处 。 ( 7 ) 在病害结构上施加预应力， 体外预应力张 拉过程中应保证对称 、 逐级张拉 ， 以保证预应力均 匀地施加到结构上， 避免因此带来结构的二次损 伤。 ( 8 ) 体外预应力体系 的防腐是结构耐久性的 保证 ， 应予以重视 。 5 结语 随着我国桥梁病害的逐渐呈现， 大跨度连续 梁桥的病害处置正在受到越来越多的关注， 而体 外预应力法加固作为一种可以调整结构 内力分布 的主动加固方法也正在受到设计者 的重视。上述 工程实践表明 ， 以施加体外预应力 的主动加 固与 粘贴钢板的被动加固方式相结合， 各取所长、 互为 补充可以较好地解决该类桥梁病害， 值得同类工 程借鉴参考。 参 考文献 ： 1 刘来君， 赵小星， 桥梁加固设计与施工技术 M 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 4 2 徐栋 桥梁体外预应力设计技术 M 北京： 人民 交通 出版社 ， 2 0 0 8 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 41 O ) S t r e n g t h e n Co n c r e t e Co n ti n u o u s Gi r d e r Br i d g e、 树t h E x t e r n a l Pr es t r e s s i n g Y ANG Ri一 ( H e y u a n B r a n c h o f G u a n g d o n g p r o v i n c i a l F r e e w a y C O L t d ； H e y u a n G u a n g d o n g 5 1 7 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I t s g r a d u a l l y t o a c t i v e l y s t r e n g t h e n b r i d g e s w i t h e x t e r n a l p r es t r e s s i n gw h i c h i s a p p l i e d i n a l a r g e - s p a n p r e s tre s s e d c o nc r e t e b o x g i r d e r b r i d g e a s i nt r o d u c e d Ke y wo r ds：p r es tre s s e d c o n c r e t e，c o n t i n u o u s g i r d e r，c r a c k，e x t e rn a l p r es t r e s s i n g，a c ti v e r e i o me me n t 52- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m