基于体外预应力加固的连续梁桥承载力研究

陈军军

（山西交科桥梁隧道加固维护工程有限公司,山西 太原 030006）

摘要：结合某大跨度连续梁桥，总结线形病害，优化体外预应力加固设计，并分析加固后承载力提升效果，结果表明，经体外预应力加固后，大桥承载力基本满足规范要求，最小安全系数为1.12。关键词：连续梁；体外预应力；承载力加固中图分类号：K928.78 文献标识码：A

Study on bearing capacity of continuous beam bridge based on

external prestressing

CHEN Jun-jun （Shanxi Jiaoke Bridge Tunnel Reinforcement Maintenance Engineering

Co., Ltd.,Shanxi Taiyuan030006 China）

Abstract:Combining with a long-span continuous girder bridge, this paper summarizes the linear diseases, optimizes the external prestressing reinforcement design, and analyses the effect of bearing capacity improvement after reinforcement. The results show that the bearing capacity of the bridge basically meets the requirements of the code after external prestressing reinforcement, and the minimum safety factor is 1.12.

Key words:continuous beams; external prestressing; reinforcement of bearing capacity

引言

由于自然环境、超载、维护不当等原因，目前我国正在运营期中的桥梁大量存在承载力不足的现象，每年花费的维修加固费用相当惊人。针对大跨度连续梁桥承载力加固，目前采用最多的仍然是体外预应力加固技术，体外预应力是一种使用完全位于构件主体截面以外的预应力束来对构件施加预应力的结构体系，是一种主动加固的体系[1-4]。体外预应力体系主

收稿日期：2019—05—14

作者简介：陈军军（1981—），

男，山西阳泉人，高级工程师。要包括预应力筋以及保护套、锚固装置、转向装置、减震装置等。相比于其他的旧桥加固技术，体外预应力加固法工序较多，且施工技术难度较大，施工质量与加固效果密切相关[5-7]。但是长期实践证明，采用体外预应力技术加固大跨度连续梁桥，能有效提高结构承载力，明显改善结构的受力状态。

１　工程概况及测试内容

大桥全长921.88 m，桥跨布置为（12×25）m+（95+150+95）m+（10×25）m。大桥为左右幅，单幅桥面总宽14 m=0.5 m（护栏）+13.0 m（行车道）+0.5 m（防撞护栏），单向3车道。下部结构采用承台式桥台，主桥采用独柱实体墩，桩基础；主桥桥面采用8 cm厚C40混凝土铺装。大桥于2006年建成通车。桥梁设计荷载为公路－Ⅰ级。

主桥箱梁采用单箱单室断面，见图1。其中箱梁底宽8 m，两侧悬臂翼缘板宽为3 m。箱梁根部梁高H=8.5 m，H/L=1/18.75；跨中及边跨端部梁高H=3 m，H/L=1/50，箱梁高度按1.8次抛物线变化。箱梁顶板厚均为28 cm。箱梁底板厚度由箱梁根部61 cm按1.8次抛物线渐变至跨中30 cm。边跨现浇段腹板厚度由45 cm渐变到70 cm。箱梁通过腹板变高度形成1.5%的单向横坡，底板保持水平；在梁端处设1 m厚的横隔板，在合拢段处设0.4 m厚的横隔板。

图1 桥梁断面（cm）

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陈军军：基于体外预应力加固的连续梁桥承载力研究

２　桥梁线形病害

２．１　２０１４年线形检测结果

2014年12月28日凌晨，全封闭交通状态下对大桥主桥线形进行测量，将测量结果与2007年12月交工验收测量结果进行对比，见图2、图3。对比发现主桥中跨各控制截面均存在不同程度下挠，中跨跨中截面外侧下挠最大，为152 mm，主桥边跨各控制截面存在不同程度的上拱，边跨（第13跨）3/4L截面内侧上拱最大，为44 mm。

图2 2014年实测高程与成桥高程之差柱状图

图3 2014年实测高程与成桥高程之差变形

２．２　２０１６年线形检测结果

与2014年对比，两次测量均以桥面14#墩处外侧测点为基准点，假定14#墩外侧测点高程未出现任何变化的情况下，本次测量与2014年7月测量桥面线形基本一致；对比2014年7月测量结果，本次测量存在的最大位移在中跨跨中区域，跨中3/8L～5/8L区间下挠位移量为10～16 mm；最大位移为跨中1/2L处，内侧测点下挠最大值为15 mm，外侧测点下挠最大值为16 mm。测量结果表明：自2014年7月至2016年8月，主桥中跨跨中下挠16 mm，说明主桥中跨下挠仍在持续发展；主桥边跨挠度没有明显变化。

３　跨中下挠分析

通过对竖向预应力损失、纵向预应力损失、混凝土徐变系数、纵向预应力径向力及超载对桥梁受力状态的影响分析，可判断主跨跨中下挠因素主要有箱梁混凝土的徐变、预应力损失等。

（1）混凝土徐变是在荷载长期作用下产生的随时间增长的变形，影响混凝土徐变的因素主要作为粘- 34 -滞弹性体与时间相关的变形性质，徐变效应会使主梁线形发生变化，应力重分布，会给行车安全造成巨大的影响。（2）针对大跨度混凝土连续梁桥，为了有效控制混凝土徐变引起的下挠变形，在钢束配置时，根据“平衡配束（零弯矩）原理”，通过调整截面上下缘钢束，尽可能保证在恒载及预应力作用下主梁处于均匀受压状态，即各截面弯矩基本趋进于零。而事实上，任何桥梁的设计均难以做到绝对的“零弯矩”，因此，截面上下缘应力会不同。（3）施工因素：施工单位违规使用混凝土添加剂；预应力张拉力没有达到设计要求；预应力张拉时，混凝土强度及弹模未达到设计要求；上述因素均会导致后期徐变效应的增大。（4）混凝土箱梁难免会出现裂缝，裂缝会降低结构的竖向刚度，进一步增大下挠的趋势。（5）随着交通量的增大，长期的超负荷工作，也会导致大跨度连续梁桥变形的增加，同时，超载车辆的长期运行，也会造成动荷载过大，是大跨径梁桥下挠的重要原因之一。

４　体外预应力加固

４．１　体外预应力设计

箱梁中跨合拢段处发生严重下挠，为抑制桥梁下挠，防止桥梁技术状况恶化，采用体外预应力技术提升结构承载力。为减少张拉次数，方便施工，体外预应力钢束在中跨通长布置。为减小预应力损失和转向块数量，尽量减少体外束竖弯和平弯次数，体外预应力转向块采用钢材制作，减小其自重的不利影响。

箱梁跨中梁高3 m，扣除顶、底板厚度影响，布置体外预应力钢束的高度有限，需考虑体外束立面及横断面布置的相互影响，顺桥向体外束锚固于主墩墩顶，同时增设齿板，在负弯矩区域尽量靠近顶板布设，正弯矩区域尽量靠近底板布设，以增加下弯角度与预应力偏心距，提高加固效率。宽幅单箱室断面箱梁存在较大剪力滞效应影响，体外束应尽量靠近腹板布置，可以减少转向块的横向尺寸，保证钢束传力效果，见图4。

图4 体外预应力布置（cm）

山东交通科技４．２　承载力验算4.2.1 有限元模型

上部结构利用通用有限元程，采用空间梁单元进行结构模拟分析，全桥共划分节点121个，单元118个，结构模型见图5。

4.2.2 工况组合

2019年第4期

根据《公路桥涵设计规范》（JTG D60-2004）的规定，甘竹滩大桥的计算考虑荷载组合：（1）组合Ⅰ：承载能力组合（基本组合）；（2）组合Ⅱ：作用短期效应组合；（3）组合Ⅲ：作用长期效应组合；（4）组合Ⅳ：标准效应组合。4.2.3 承载能力验算

大桥加固前后主跨跨中截面承载能力极限状态计算分析结果见表1。

图5 有限元模型

表１　主跨跨中截面承载能力极限状态计算结果

状态原设计

工况123

加固前

456

加固后

78

变化因素

-竖向预应力损失

纵向预应力20%

徐变系数调整，模拟湿度40%，

纵向预应力损失20%

原设计状态纵向预应力损失 20%徐变系数调整，模拟湿度40%，

纵向预应力损失20%

比例-40%70%

r·Mj（kN·m）

195 549.7195 549.7195 549.7185 772.2200 438.4187 317.1192 274.2

225 409.6207 029.4Mu（kN·m）207 029.4

Mu/γMj1.061.061.141.111.121.201.17

本桥在各个工况下，承载能力极限状态下控制截面抗弯、抗剪承载能力满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）的要求。见图6、图7。桥梁加固后主跨跨中截面抗弯承载能力满足规范要求，且最小安全系数为1.12。

理→现场安装钢板、种植锚栓→转向管与钢板点焊定位→钢锚固块及钢转向块形成 →穿布体外预应力钢束→张拉体外预应力钢束→封锚及防护处理，设置钢束减振装置[8-10]。

（1）钢制转向块、锚固块在工厂预制前，需测量好尺寸，确保预制好的块件可通过底板进料孔运输至设计指定位置，如需对底板进料孔进行扩孔需征得设计方的同意方可进行。（2）依据桥梁加固施工图布设转向块、锚固块等装置的位置，并标记清楚。（3）墩顶横隔板、跨中底板加劲肋开孔：根据图纸标示出的体外束通过位置，在墩顶横隔板和跨中底板加劲肋处开孔，开孔直径为 16 cm。开孔后应将孔口位置打磨光滑，防止穿束时损伤钢束。

图6 承载能力极限弯矩

５　结语

体外预应力加固技术在大跨度变截面连续梁桥的

图7 承载能力极限剪力

加固中已经得到了广泛并有效的运用，本文通过实例分析，表明体外预应力加固可有效提升了旧桥的承载力，使其满足规范及运营要求。另外，体外预应力加固相对于其他加固方法操作相对较难，施工中应严格按照规范进行，避免影响加固效果。

４．３　施工流程及工艺

测定箱梁原钢束（钢筋）位置→新增钢制锚固块及转向块放样→钢板下料、防腐处理，钻孔及孔内处

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陈军军：基于体外预应力加固的连续梁桥承载力研究

参考文献：

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（上接第21页）

３．３　拟建收费站对青岛胶州经济开发区连通性的影响

对胶州经济开发区直接经济效益是指拟建项目建成后，改善了胶州经济开发区的交通状况，降低了运输成本，促进了公路运输业的发展，刺激了由于区域间客货运量的增加所产生的公路使用者效益，为胶州州工业园出行提供便利。就青岛市赖以发展的港口而言，拟建项目的建成，降低出行成本，不仅可以加强青岛老港、前湾港、油港三港之间的协作，而且可以更好地发挥港口的整体效益。因此，要充分利用开发区独特的地理位置，以及交通运输，保证轮渡的运输、环胶州湾公路和跨海大桥，以及海地隧道交通的顺畅，这对青岛以及开发区的经济发展将起到更积极的作用。

的经济文化辐射作用，为沿线地区宏观经济增长、产业结构调整及其布局的优化、城镇化发展做出重要的贡献, 产生巨大的经济效益和积极的社会影响。

５　结语

拟建环胶州湾高速收费站一方面为了更好扩展青岛市的经济腹地范围，尤其强化与日照市的经济联系，为促进青潍日一体化发展提供交通载体。另一方面促进胶州经济开发区的经济发展起到至关重要的作用，为沿线人员就业提供保障，为就业人员的出行提供便利。

参考文献：

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４　远景展望

拟建收费站项目建成后，能改善胶州经济开发区的交通状况、降低运输成本、促进公路运输业的发展、刺激区域间客货运量的增加所产生的公路使用者效益。在此基础上，建议进一步对环胶州湾高速路网优化，将S395升级为四车道快速路，以此提高S395的道路通行能力，同时改造营海立交桥，改善所在服务区域交通条件和投资环境,强化中心城市

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