基于荷載試驗的連續(xù)梁橋體外預應力加固效果評價研究分析

項載健 郭永康 張弋強

摘要：材料劣化、缺陷累積會對橋梁結構的剛度甚至承載能力造成較大的影響，因此對于橋梁結構進行主動加固處理成為當前加固處理的優(yōu)先選擇方式。文章基于某連續(xù)梁橋，在進行外觀質量檢測和荷載試驗評價的基礎上，提出了進行體外預應力主動加固的方式，對加固設計原則和方案進行了詳細分析，針對體外預應力加固技術對于橋梁結構的撓度、應變的改善情況進行了對比分析。結果證明：體外預應力加固技術對于橋梁結構的預應力度和剛度的提高具有良好的促進作用，相關研究可較大促進體外預應力加固技術的推廣應用，對于類似工程可提供理論和經驗借鑒。

關鍵詞：連續(xù)梁橋;預應力度下降;剛度下降;體外預應力;效果評價

中圖分類號：U448.215 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.025

文章編號：1673-4874（2019）10-0085-05

0引言

由于材料、結構本身存在全壽命周期裂化，加上自然災害、設計缺陷和施工初始缺陷，造成橋梁結構承載能力不斷下降。對于預應力混凝土連續(xù)梁橋而言，由于初始損傷的演化和不斷積累，導致預應力度有一定程度下降，對橋梁結構的安全使用造成較大影響。因此選擇高效合理的加固方式對預應力連續(xù)梁橋進行加固修復，對于提升其預應力度和結構承載能力都具有重要意義。作為橋梁結構加固處理的眾多方法之一，體外預應力加固技術一經推出，便因其施工方便、節(jié)省材料、減輕自重、降低造價和方便檢修維護更換的優(yōu)勢得到了廣泛的推廣應用。針對體外預應力技術，國內外學者展開了大量研究，如榮學亮等提出了體外預應力筋極限應力的實用計算公式，為體外預應力的推廣應用打下了基礎。張繼文等對體外預應力加固非預應力鋼筋混凝土簡支梁的作用機理進行了分析，擴展了體外預應力加固技術的應用范圍。沈穎坤對采用體外預應力加固的框架梁結構內力變化進行了對比分析，為體外預應力加固處理的評價打下了基礎。根據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn)，當前研究多集中于體外預應力結構的加固理論分析，缺少對于體外預應力加固技術適用情況和加固效果的評價分析，因此本文在對某連續(xù)梁橋進行外觀檢測和荷載試驗評價的基礎上，提出了運用體外預應力主動加固的方式進行處理，通過理論值和加固前后的主跨跨中的撓度值和應變值進行對比分析，結果證明體外預應力加固處理可確保提高橋梁結構預應力度和橋梁結構剛度，這對于未來體外預應力加固技術的推廣應用起到了較好的促進作用。

1工程概況

本工程位于某互通區(qū)G匝道上，為匝道（共劃分為七聯(lián)）第五聯(lián)，上部結構為預應力混凝土連續(xù)箱梁，單箱單室結構，跨徑組合為（32.0+34.0+32.0）m，梁高為2.10m，頂板寬12.50m，頂板厚28cm，底板寬7.20m，底板厚25cm。本橋一般構造如圖]所示。

2橋梁健康狀況評價

2.1外觀質量評價

橋梁檢測報告顯示，本工程連續(xù)梁外觀裂縫較多，以下進行詳細介紹：

（1）15*梁底1/4跨-15*墩存在32條裂縫，裂縫越靠近跨中分布越密集，裂縫寬度在0.08-0.24mm不等，部分裂縫與腹板豎向裂縫相連，形成“L”或“U”型裂縫。

（2）16*跨梁底1/5-3/4跨存在16條裂縫，個別裂縫與腹板豎向裂縫相連，形成“L”型裂縫。

（3）17*跨1/4-3/4跨存在11條橫縫。

（4）主跨和邊跨跨中存在較大撓度變形，接近規(guī)范要求容許值，結構承載潛力已經發(fā)掘殆盡。

2.2 承載能力評價

基于定期檢查病害情況，針對本工程連續(xù)梁橋進行了靜載試驗。以下針對邊跨和中跨相關參數(shù)進行詳細分析，具體如表1所示。

根據(jù)表1可知，該橋結構工作狀態(tài)如下：

（1）滿載作用下，撓度校驗系數(shù)為1.02，不滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）中撓度校驗系數(shù)0.70-1.0范圍內的要求;應變校驗系數(shù)為1.84，不滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）中應變校驗系數(shù)0.60-0.90范圍內的要求。

（2）卸載后結構相對殘余位移為-5.5%--1.3%，相對殘余應變?yōu)?5.9%-0.0%，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）中<20%的要求，且卸載后裂縫基本能恢復，說明結構仍處于彈性工作狀態(tài)。

（3）荷載作用下，裂縫監(jiān)測顯示裂縫寬度增加幅度較大，滿載作用下裂縫寬度最大增量為0.081mm，且箱梁底板應變值離散性大，說明結構梁體預應力儲備不足，結構受力接近于橋梁結構設計的極限受力狀態(tài)。

2.3健康狀況評價結論

根據(jù)橋梁外觀檢測報告和荷載試驗狀況，同時考慮該橋位于交通千道上，交通任務較為繁重，因此橋梁健康評價結果如下：

（1）外觀檢測報告顯示，橋梁底部橫向裂縫較多，這主要是由結構剛度不足引起撓度過大造成的，因此加固方案擬優(yōu)先考慮采用提高橋梁剛度的加固方式。

（2）根據(jù)靜載試驗報告，撓度校驗系數(shù)和應變校驗系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，無法滿足當前公路交通通行的要求，因此擬考慮通過加固提高橋梁結構的承載能力。

3體外預應力加固設計

3.1加固設計原則

根據(jù)橋梁檢測報告顯示，橋梁底部橫向裂縫較多和撓度過大，因此在安全、合理、技術可行的前提下充分利用原有結構進行加固處理。具體加固設計原則如下：

（1）首先封閉原有裂縫，避免有害物質侵入結構內部，引起普通鋼筋和預應力鋼束銹蝕，從而降低結構剛度和承載能力。

（2）對于關鍵截面如跨中、接縫處的裂縫采用局部補強方式進行封閉處理，避免裂縫進一步擴展，對結構安全造成影響。

（3）鑒于橋梁結構病害主要是由預應力度不足引起的，因此橋梁的加固設計應充分考慮預應力的補充，恢復結構設計預應力狀態(tài)。

3.2 加固方案設計

針對本工程梁橋的病害情況，擬采取主動加固方式，主要措施如下：

（1）首先在箱梁底部對裂縫進行局部補強處理，并對于裂縫寬度<0.1mm的裂縫進行封閉處理;對于跨中裂縫較為集中的區(qū)域，采用粘貼鋼板的方式進行加固處理。

（2）在箱梁裂縫封閉完畢后，采取補充體外預應力從而提高預應力度和結構剛度的方式進行加固，具體如圖2所示。

4 加固效果評價

為了評價體外預應力加固箱梁效果，擬采取荷載試驗對于理論計算及加固前和加固后主梁跨中撓度、應變的變化進行對比，評價體外預應力加固處理效果。以下進行詳細分析：

4.1荷載試驗方案

鑒于本次荷載試驗是為了驗證橋梁結構在加固后的實際性能是否滿足原設計荷載和加固后對于原結構預應力度補充的程度，因此擬針對主跨跨中撓度和應變進行荷載試驗。具體測試截面如圖3所示。

靜載試驗模擬在設計汽車荷載作用下橋跨的最不利受力和變形，為了對比加固前后的橋梁承載能力情況，加固前后靜載試驗布載方式相同。采用6輛重約300kN的車輛進行偏載加載，為了保障加載安全，正式加載前對橋梁進行預加載，每個工況分四級進行加載，荷載效率和加載車輛布置分別如表2和圖4所示。

4.2 整體撓度對比分析

對于加固前后所有測點撓度進行統(tǒng)計，得到理論彈性變形值、加固前后彈性變形值的對比分析如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，采用體外預應力加固連續(xù)梁后，對于梁板的剛度具有一定程度的提升，具體表現(xiàn)在主梁跨中撓度相比加固前減小了很大一部分，相對于抗彎承載能力的提升，體外預應力加固具有較大程度的優(yōu)勢。從結構受力分析看，如果不考慮結構抗剪承載能力，體外預應力能夠有效延遲混凝土截面開裂，增強混凝土對于鋼筋的握裹力，有效增強縱向鋼筋的消栓作用。

4.3 關鍵截面撓度結果對比分析

4.3.1 測點布置

為了對比分析體外預應力加固對于應變情況的改善，應變測點布置與加固前應變測點一致。對于橋梁結構撓度的測試，主要測量跨中和端部撓度，為了對比分析體外預應力的加固效果，加固前后的測點保持一致。具體如圖6所示。

4.3.2 撓度測量結果分析

為了有效分析橋梁加固前后的橋梁預應力度、剛度的變化，選擇橋梁理論計算、加載前后的跨中撓度實測值進行分析。為了解分析橋梁結構彈性變形能力和安全考慮，橋梁滿載加載選擇四級加載方式進行布置，具體校驗系數(shù)和不同加載級別撓度值和加載效率對比分析結果如表3和圖7所示。

根據(jù)表3可知，加固前主梁荷載試驗撓度校驗系數(shù)為1.06，不滿足規(guī)范0.7-1.0的要求，加固后荷載校驗系數(shù)為0.81，滿足規(guī)范0.7-1.0的要求，由此判斷經過體外預應力系統(tǒng)的加固，本工程連續(xù)梁橋的受力性能得到一定程度的改善，相應的剛度和承載能力有所提升。根據(jù)圖7可知，加固前隨著加載效率提高，撓度變形存在折線情況，說明橋梁已經達到彈性狀態(tài)極限，存在部分非彈性變形;而在體外預應力加載后，隨著加載過程的進行，橋梁撓度逐漸增加，且近似為線形結構，說明四級加載完成后的滿載狀況下橋梁仍處于彈性狀態(tài)，且與理論彈性變形值對比分析可知，加固后的橋梁撓度相對較小，說明加固后的橋梁承載能力具有較大的安全冗余。

4.4 應變結果對比分析

4.4.1測點布置

考慮到跨中裂縫較多，底板每個測點沿縱橋向交錯搭接布設5個應變片，然后求實測值的平均值。應變測量布置如圖8所示。為了確保底板應變測點的精確性，每一個測點選擇5條應變片進行均勻布置，然后求平均值，具體如圖9所示。同時，設置溫度補償點，對應變測點的溫度影響進行修正。

4.4.2 應變測試結果

為了對比分析體外預應力加固方法的效果，以下針對理論計算和加固前后的應變測試結果進行分析，具體結果如表4和圖10所示。

由表4和圖10分析，得到以下結論：

（1）校驗系數(shù)分析。加固前，橋梁結構滿載作用下C-C截面下緣應變理論值為70με實測平均值為62με，應變校驗系數(shù)為0.89，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/TJ21-01-2015）中應變校驗系數(shù)0.6-0.9的常值范圍要求。

（2）對比分析。加固前試驗應變校驗系數(shù)為1.84，加固后應變校驗系數(shù)為0.89，由此判斷經過維修加固后結構的受力性能有一定改善，與撓度測試結果相吻合。

5 結語

鑒于體外預應力加固技術的諸多優(yōu)勢，其在橋梁結構尤其是預應力橋梁結構的加固處理中得到了較為廣泛的應用?；谀硨嶋H工程，本文首先從橋梁外觀質量和荷載試驗對橋梁健康狀況進行評價，針對橋梁健康評價結果，提出了體外預應力設計的結論，最后通過理論分析及加固前后跨中撓度和應變進行了對比分析。結果表明，體外預應力加固能夠大大提高橋梁結構的預應力度，進而提高橋梁結構的剛度和承載能力，較好地保障了橋梁結構的健康安全運營。本文系統(tǒng)研究了體外預應力結構在橋梁加固中的設計和加固效果評價，對于體外預應力加固技術的推廣應用起到了較好的促進作用。