桥墩盖梁体外预应力加固研究

JulyNo.72011

桥墩盖梁体外预应力加固研究

李维勋，陈春华

（江西交通职业技术学院，江西南昌331103）

摘

要：通过对药湖高架桥桥墩盖梁的损伤分析，针对结构受力状态，对桥墩盖梁进行了计算模型分析与试验，提

出了适用的桥墩盖梁体外预应力加固方案。并通过实验检测，验证了该加固方案对旧桥加固的效果。关键词：桥墩盖梁，损伤分析，预应力加固中图分类号：U448.23

文献标识码：A

文章编号：1006-7973（2011）07-0215-03（7）部分盖梁下缘边角处有严重开裂损坏；

（8）部分支座垫石因支座受力不均与施工质量差等综合原因而开裂。

从上述病害可见，加固该桥的关键是盖梁的加固。由于该桥是按老规范进行设计施工，而加固需采用新规范，同时，拟定盖梁采用体外预应力加固，故需分析药湖高架桥下部构造在

设计荷载作用下实际受力情况是否符合原交通部颁发的《公路

随着时间的推移，新建的桥梁终究会变成旧桥。在桥梁使用期间，由于车辆，特别是超重车辆行驶，以及外界各种因素的作用和影响，会导致桥梁结构产生各种病害，严重影响桥梁的正常使用，此时，为了桥梁的正常使用，自然需要重建或加固，比较之下，一般认为对其加固、维修是一项技术上可行、经济上比较合理的举措。本文主要针对大广高速

江西段药湖高架桥桥墩盖梁用体外预应力方法加固的可行性

和实验结果进行研究。用以证明旧桥加固的良好效果。

一、工程背景和现状概况

药湖高架桥位于大广高速江西段，全长9.1km，上部构造中除6孔30m预应力混凝土T型梁以外，其余均为20m先张法预应力混凝土宽幅空心板。每孔各有16片空心板，每片空心板预制宽度为155cm，高度90cm。全桥空心板均为简支结构，有伸缩缝处桥梁墩台上设GJZF4四氟板式橡胶支座（Φ150×28mm），其余墩台均为GJZ板式橡胶支座（Φ150×42mm）。桥上每隔约2Km设一开口段，由2块窄空心板（板宽89.5cm）替换中央分隔带形成左右幅连续桥面构成开口段。

下部构造采用钢筋混凝土钻孔灌注桩配双柱式桥墩和肋形埋置式桥台。盖梁采用部分预应力混凝土结构。该桥在1997年建成通车。在使用过程中，发现该桥产生了不同程度的病害。为此，业主委托相关技术部门进行加固。

为了详细了解药湖高架桥下部构造的实际状况，加固前，对该桥下部构造破坏部分进行检测，发现下部构造主要存在下列病害：

（1）在检测的桥墩中，有4个盖梁在跨中附近下缘存在沿桥纵向的贯穿裂缝；

（2）多个盖梁跨中附近下缘发现空洞，且出现不规则开裂（沿横桥向裂缝占多数）；

（3）因抗裂钢筋不足，部分盖梁侧表面产生沿横桥向的裂缝；

（4）少数盖梁于墩柱附近存在斜向（约45度）短裂缝，裂缝深多数约1~2mm，宽多在0.2mm内；

（5）在部分盖梁上缘有竖向裂缝，最大缝宽超过0.2mm；

（6）盖梁封锚混凝土也存在局部开裂现象；收稿日期：2011-04-22

钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62－2004）中部分预应力混凝土A类构件使用要求。因而，给结构病害成因分析和维修施工图设计提供了理论基础数据。

二、结构计算1．结构的计算方法

（1）为了便于计算分析，此次计算将钻孔灌注桩基础和墩柱按等刚度原则换算成一端固结一端自由的结构模式，而换算后，结构模型中基础周边土体不对桩基产生作用。综合计算后，桩柱等效高度为14.1m。

（2）根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62－2004）第8.2.1条规定：墩台盖梁和墩柱按刚构计算，平面单元结构离散模型及空间实体元结构离散模型作为计算模型。

2．计算荷载的选择和布置

（1）计算荷载取原设计荷载：汽车-超20级；挂车-120；人群-3.5KN/m2

（2）因开口段和正常段盖梁的结构形式与预应力筋的布置相同，只有上部构造在中央分隔带位置增设两片空心板，也就是恒载较正常段大；活载偏中心布载时，盖梁跨中正弯矩比正常段更加不利，故计算过程中只对开口段与加宽段进行计算分析。

（3）荷载对盖梁作用的计算：为让本次计算结果更精确，活载对盖梁的作用力用空间有限元程序Ansys按空心板实际刚度和连接方式模拟，计算出每片空心板对盖梁的作用力。汽车荷载按4列汽车布置（不考虑车道折减系数），挂车按2辆布载计算。活载布置分别采用四种情况，分别为：a.正常段和加宽段偏中心线布载车辆布置，b.正常段和加宽段偏外侧布载车辆布置，c.开口段偏中心线布载车辆布置，d.开口段偏外侧布载车辆布置。

作者简介：李维勋（1980-）江西交通职业技术学院教授，高级工程师。

陈春华，江西交通职业技术学院讲师，工程师。

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3．计算结果

分别采用Ansys、GQJS和CIVIL、MIDAS等程序对桥墩盖梁进行计算分析及复核，其结果基本吻合。盖梁各控制截面计算结果见表1、2所示。

表1

开口段桥墩盖梁应力（MPa）计算结果一览表

控制截面

跨中

支点

计算荷载上缘下缘上缘下缘汽车-超20

偏中心布载-5.630.87-5.53-0.16偏外侧布载

-4.50-0.19-5.26-0.24挂车-120

偏中心布载-6.671.90-5.27-0.10偏外侧布载

-3.59

-1.05

-4.87

-0.36表2

加宽段桥墩盖梁应力（MPa）计算结果一览表

控制截面

跨中

支点

计算荷载

上缘

下缘上缘下缘偏中心布载

-5.13-0.30-6.76-0.12汽车-超20

偏外侧布载0.46-5.81-4.61-0.29挂车-120

偏中心布载-6.190.38-6.66-0.14偏外侧布载

0.44

-5.78

-4.74

-0.74

4．计算结果的分析

（1）最不利荷载作用下，盖梁跨中截面下缘最大拉应力是1.90Mpa，但支点截面上缘没出现拉应力状况。结构各部位最大压应力也小于其抗压设计强度值，就说明在设计理想状态下桥墩盖梁符合部分预应力混凝土A类构件使用要求；

（2）用实体单元计算出的控制截面控制应力都比用梁单元计算出的结果稍小，主要产生的原因为：在梁单元计算模型中墩柱和盖梁之间连接为点连接，但空间有限元模型为面连接（更符合实际结构情况）；

（3）上部构造横向分布用杠杆法计算出的盖梁控制截面的控制应力明显比按铰接板法计算的结果更加不利，这就说明桥梁上部构造的横向整体受力性直接关系到下部构造的受力情况。

三、盖梁的加固方案

桥墩结构的计算结果表明：在设计理想状态下，桥墩符合部分预应力混凝土A类构件的使用要求，因此全桥只对盖梁上缘和跨中下缘存在的沿桥梁纵向贯穿裂缝的31个盖梁用体外预应力放法进行加固补强，对余下盖梁进行维修。

在考虑该桥特点和体外预应力特性以及耐久性要求下，体外预应力筋（Rb

y=1860MPa，σk=1395MPa）选用环氧喷涂且有双层PE护套的高强度低松驰无粘结筋。

加固增设的体外预应力值，最佳预应力用量为能平衡汽车荷载产生的应力值。按计算结果，本设计在盖梁上缘分别

设置2束体外预应力束，上缘每束采用5φj

15.24、下缘每束采用7φj15.24高强度低松驰钢绞线。加固施工过程中可用

应变仪对加固效果进行实测。

钢锚固块

2束5Φj15.24预应力钢铰线

盖

梁

混凝土锚固块

防护混凝土

锚固端

2束7Φj15.24预应力钢铰线

墩

柱

图1体外预应力束布置示意图

预应力束设置形式要综合考虑加固效果、方便锚固块设

置和方便转向块设置及节省预应力筋用量四个因素。预应力束布置形式如图1所示。

四、现场试验研究

2007年10月对该桥中用体外预应力加固的盖梁梁体应变进行现场检测，对加固前理论计算值和加固后实际测试值进行比较，从而研究分析了体外预应力加固盖梁的实际效果。

1．试验方案及实施过程

对加固后盖梁进行了应变的检测试验，主要测定盖梁在体外预应力张拉过程中应变与裂缝的情况，从而检验其使用的安全可靠性，进而检验体外预应力加固盖梁的实际效果。主要试验内容如下:

①盖梁支点截面应变；②盖梁跨中截面应变；③检查盖梁裂缝情况。（1）测试截面与测点布置

因墩台盖梁与墩柱按照刚构进行计算，所以跨中和支点截面的内力可以很好地反映出盖梁受力情况和安全可靠性，因而对上述截面做应变检测试验，因左右幅对称，故只需要测任一支点截面。

在跨中截面两边侧面分别布置3个应变片（未计入补偿片），在支点截面两边侧面分别布置2个应变片（未计入补偿片）。

（2）主要的测试仪器

按桥梁检测常规方法，在试验前检测仪表都进行了标定。采用100×10电阻应变片进行应变量测，并配BZ2205静态电阻应变仪。BZ2205用低噪声和低漂移放大器，单片机进行运算与控制，可以对测试的结果进行多次自动储存，最高存储次数为99次，并且可通过RS232接口向微机传送测试记录。

（3）试验工况

按测试内容，应使测试截面在每一束预应力束张拉完成后才进行测试。张拉顺序为：上缘北侧——上缘南侧——下缘北侧——下缘南侧。所以本次试验共分为下面四种试验工况：

工况1：盖梁上缘北侧预应力束张拉完成后。工况2：盖梁上缘南侧预应力束张拉完成后。工况3：盖梁下缘北侧预应力束张拉完成后。工况4：盖梁下缘南侧预应力束张拉完成后。2．试验过程

试验前，按试验方案要求应对试验盖梁进行检查和测量，以确定应变和测点位置。

先对各测点位置打磨凿平，并清洗干净，再粘贴应变片，作防潮处理，焊接导线和联机调试等项前期准备工作。接线联机以后，再进行试调和检查各个应变片，以确保电路通畅，并保证处于良好的工作状态检验各测点应变计及采集记录仪器工作的可靠性，经检验无误以后，再张拉预应力。为了排除测试过程中大气温度变化的影响，每一断面均应布设处于同一温度场并不受试验荷载影响的温度补偿应变片。试验中，为尽可能减少不稳定因素的影响，待每束预应力束张拉完成，维持10分钟以后，再进行下一束预应力束张拉，等数据完全稳定以后进行记录，以保证试验测试结果的可靠性。（下转第218页）

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倍；

③施工人群荷载可按2kpa估算；④千斤顶、油泵重量；⑤最大节段混凝土重量；⑥挂篮自重（包括平衡重）。

（3）挂篮的验算挂篮应验算空载走行状态下的平衡稳定，浇筑混凝土时的倾覆稳定。由于挂篮系可移动的模架，又属高空作业，所以在设计时必须保证有足够的稳定性、刚度和强度安全系数。挂篮重量应和设计操作施工阶段验算中估计的重量相符，并应将实际的挂篮重量和有关数据及时反馈给主梁设计部门，以便进行阶段验算。

4．挂篮的制作与安装

（1）制作挂篮各结构部件要严格按设计图纸要求几何尺寸、材质和精度加工，不允许随意改变设计和采用代用材料。如确需变更，应征得设计部门同意并签认后，方可变更。挂篮加工完毕应在工厂组装试拼，并做全面检查，必须时进行主要受力构件的单件试验。

（2）挂篮安装

①当墩顶叶梁段施工完毕，需在墩顶拼装挂篮；②为减少水上高空作业工作量，克服墩顶工作面小，工作条件差的不利影响，应在拼装前做好充分准备，或利用有利地形先在岸上进行试拼装，其拼装程序应按设计要求的程序对称地进行；

③挂篮安装程序为：主桁架→锚固系→悬吊系→底模架→侧模→内模（绑扎完钢筋后进行）→端模→张拉平台。

④挂篮安装后，应进行全面的安全、技术检查，并按设计荷重进行压重试验，加荷和卸荷要分级进行，测得弹性变

（上接第216页）

3．试验结果的分析

试验盖梁的跨中和支点截面的应变值见表3、表4。

表3

试验盖梁跨中截面应变表

跨中截面应变（με）

应变片号

工况一

工况二工况三工况四128-43-65-63233-3156-61358-5060-614-12-40-78-64516-3944-666

40

34

36

-61

表4

试验盖梁支点截面应变表

跨中截面应变（με）应变片号

工况一

工况二工况三工况四7-18-45-66-78822-5448-6593652-58-7110

30

63

-39

-74

形和残余变形，以此控制各段梁段抛高量（预拱度）；

⑤挂篮的操作平台下应设置安全措施和防止物体坠落的隔离措施，确保安全，要求挂篮四周设置护栏，全封闭，上下层应尽量有专用扶梯，以便操作人员上、下方便安全；

⑥挂篮的锚固系及平衡装置应经常检查，确保挂篮走行及浇筑混凝土作业时的安全；

⑦挂篮在通航河流上作业时，必须特别加强水上管理，并应和航道管理部门协商，发布航运通告，限制船只通航，做好防护措施，并应严格规定在挂篮的正下方不得通航，施工现场及航道上、下游应设置明显施工标志；

⑧挂篮模板安装后应严格测定位置，核对标高（注意预留拱度即抛高量）、校正中线。模板和相邻梁段的混凝土面应平整密贴。

四、结语

挂篮悬臂浇筑施工使用少量施工机具设备，避免大量支架，可以方便地建造跨越深谷、流量大的河道和交通量大的立交桥，而且施工不受跨度限制，跨度越大，其经济效益越高，所以大跨度连续梁桥常采用挂篮悬浇施工。

参考文献

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人民交通出版社，2000．

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[3]张家旭，张庆芳．钢结构[M]．北京：中国铁道出版社，

2002．

[4]杨文渊，徐犇．桥梁施工工程师手册（第二版）[M]．北

京：人民交通出版社，2004：331．

从上述试验盖梁应变数据可知：

（1）前三工况中，在体外预应力束压力作用下，盖梁受到多于一个中性轴的偏心压力作用。截面下边缘会产生拉应力，经截面应力计算发现，最大应力值小于允许值，故属于施工过程中出现的正常现象。

（2）加固之前盖梁在最不利荷载的作用下，跨中截面下缘的最大拉应力为1.90MPa，张拉结束以后跨中截面的下缘拉应力下降为0.16MPa。

五、结论

本文在学习及总结前人研究工作的基础上，再结合实例对旧桥加固进行分析、计算、研究，用体外预应力加固方法对桥墩盖梁实施加固，其效果良好。经加固，抵消了较大部分恒载和活载应力，起到卸载的作用，因而改善和调整了原结构的受力状况，显著的提高了结构的刚度、抗裂性及承载能力；在正常使用状态下能减小盖梁跨中挠度及裂缝宽度。

参考文献

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民交通出版社，2001.

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