摘要：本文在当前我国桥梁的养护、维修、加固及改造工程逐渐成为主流的背景下，分析了混凝土桥梁的常见病害原因，介绍了桥梁补强加固方法，着重探讨了体外预应力加固方法的应用价值，并设计了一种新型方案，研究结果表明新方案的加固整体性良好。
关键词：混凝土梁桥；桥梁病害；加固设计；体外预应力
前言
随着我国交通量和重型汽车的不断增加，原些建筑材料的性质衰变，以及由于设计和施工留下的一些缺陷，造成了道路桥梁使用功能的日趋退化。如果不对结构上所出现的病害予以检测、维修和加固，则结构上的这些初始缺陷加上结构的自然老化会使得结构上的损伤不断积累和发展，最终极有可能发展为危桥而面临损毁、垮塌的危险，对社会经济及人民的生命财产造成极大损失。
1.混凝土梁桥病害分析
混凝土桥梁常见的病害有：混凝土材料的破坏、钢筋锈蚀、桥梁结构变形变位、附属设施包括伸缩缝、桥面铺装、支座等破坏。
1.1混凝土病害
由于设计、施工、材料特性等原因会造成混凝土表层缺陷、内部孔洞、收缩和温度裂缝；混凝土的碳化作用、氯离子侵蚀、碱-骨料反应等会引起膨胀而造成裂缝；另外结构受力超过抗拉强度也会产生裂缝。裂缝产生后，各种有害物质渗透到混凝土内部的可能性就会增大，从而加速混凝土的冻融破坏，碳化深度也会更深，更容易锈蚀到钢筋[1]，这样又会进一步加重混凝土的开裂，最终导致结构破坏。引起裂缝的原因很多，主要可归纳为两大类[2]：
第一类：结构性裂缝（又称为荷载裂缝）。这类裂缝主要由外荷载引起。其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。通常可用这种裂缝说明结构的承载力可能不足或存在其它严重问题。
第二类：非结构性裂缝，由变形引起的。结构内部在变形受到限制时会产生自应力，当自应力达到混凝土的抗拉强度极限值时，就会引起混凝土裂缝，造成结构内部变形的原因有温度变化、混凝土收缩等。此种裂缝一旦出现，变形立即得到释放，自应力也就消失。这类裂缝大都和设计要求、施工方案、环境条件、混凝土配比、养护方案直接相关。
对裂缝进行危害程度评定、裂缝修补加固，首先要分析裂缝产生的原因，要清楚裂缝是由变形还是荷载引起。如果对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达不到预期的效果，还可能发生危险的突发性事故。
1.2.桥梁结构体系病害
对于桥梁上部结构变形或变位，最常见的病害就是下挠，结构下挠的原因有主梁混凝土收缩及徐变、主梁刚度变化、主梁纵向预应力有效性降低及荷载增加等因素有关[3]。结构变形或变位，将会影响结构的正常使用，所以是一种必须要及时修复的病害。
2.桥梁补强加固设计
根据桥梁病害诊断分析和鉴定评估结果，一般可将桥梁加固分为承载力加固（强度加固）、使用功能加固、耐久性加固和抗震加固等四种情况[4]。
桥梁补强加固的常用方法如下：（1）增大截面加固法；（2）粘贴钢板加固法；（3）粘贴纤维复合材料加固法；（4）体外预应力加固法；（5）改变结构体系加固法。
2.1体外预应力加固技术
体外预应力加固是目前公路桥梁改造工程中采用较多的加固方法，特别适用于大跨径预应力混凝土连续箱梁和连续T构箱梁桥的加固。
2.1.1体外预应力加固原理
体外预应力加固法的原理是以高强钢丝、钢绞线或高强度粗钢筋等作为施力工具，对梁体施加体外预应力，以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，使原桥裂缝部分或全部闭合，挠度减小，从而达到改善桥梁使用性能和提高结构承载力的目的[5]。
2.1.2体外预应力布置形式
采用体外预应力加固时，布筋形式一般有三种：折线形、直线型、曲线形。
体外预应力筋的理想布筋方式是使其与弯矩图接近。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当桥下净空条件许可，采用在梁下设置粗钢筋作为预应力拉杆进行补强时，最好采用折线布置，这种体系受力合理，并能减小梁的上拱度，但会加大设计与施工的难度；当采用直线布筋，设计与施工简单，摩阻损失小，但存在上拱度较大的缺点；若采用钢绞线或钢丝束作为预应力筋时，可采用曲线布筋。为保证曲线线型并固定预应力筋，应在梁底每隔一定间距（50～100cm）设置一个定位箍圈或在梁肋侧面埋设定位销。
3.加固方案分析
3.1工程案例
广州市某桥梁建于20世纪90年代，设计荷载为汽车-20级、挂车-100。桥梁主桥上部结构为360m变截面单箱单室预应力混凝土连续梁桥，跨径布置：30+3×40+60+3×40+30 m。采用C40混凝土浇筑，预应力筋采用 高强低松弛钢绞线，控制张拉应力为1395MPa。锚具采用OVM 15-7及KBM l5-5两种成套锚具，钢绞线孔道用波纹管成孔。
该桥在施工期间，因对其结构进行了不合理变更，盲目减薄腹板，导致在使用阶段箱粱腹板斜裂缝大量出现，且一直处于发展状态，为保证该桥使用的安全，必须对其进行结构加固，以提高其承载能力。
为阻止箱梁腹板斜裂缝的发展，确保桥梁的安全性，采用了如下加固方案：①主桥箱梁采用体外预应力加固，每截面（A、B型锚固段截面除外）新增4束预应力筋，每束有效截面积为1260mm2，采用 高强低松弛钢绞线，锚具采用OVM 15-9成套锚具；②墩顶箱梁增设横梁，采用C30混凝土，采用普通钢筋符合规范规定；③腹板裂缝采用粘贴钢板封闭及加固。
该方案采用BRCAD系统分析与规范计算相结合的分析方法，对连续箱梁桥的加固技术和加固效果进行了对比分析。经验算分析对比得，加固后恒载作用下桥体各截面拉应力及主拉应力有不同程度的减少；下边缘受拉区域有较大的减少；桥体的极限承载能力有不同程度的提高。所以该方案加固效果良好。
为进一步提高加固整体性性能，理论分析采用简化的能量变分法并结合《无粘结预应力混凝土结构技术规程》JGJ92-2004进行验算分析。在计算斜截面承载力时，同时考虑体外预应力对混凝土梁受剪承载力提高的作用机理和体外预应力混凝土梁受剪承载力计算方法[6]。
故本方案进一步升级为采用半封闭式预应力拉索加固设计，加固方案包括六个系统：①体外预应力钢绞线②体外预应力钢绞线锚固系统③体外预应力钢绞线转向装置④体外预应力局部支撑系统⑤体外预应力张拉调节系统⑥体外预应力钢绞线防腐系统。其中，转向块作用一是完成斜筋和水平筋之间力的传递，稳固节点并将斜筋的竖向分力传于梁底；二是在转向块沿梁底线滑动，以调整斜筋与水平筋之间的内力分配比例，并使表面受力趋于均匀。
3.2 半封闭式预应力拉索加固方案特点
（1）半封闭式预应力拉索加固方案可以较为更好地贴近主梁弯矩图；（2）方案采用先修复裂缝后仅靠拉索预应力限制裂缝的开展，整体性更好，较钢板更耐腐蚀；（3）本文方案受力平衡性更好；（4）但本文方案对折点处装置的刚度与耐久性要求更高，相对造价也会增加。
结论
由于设计方法不完善、施工质量缺陷、运营期间超载、日常缺乏养护维修等可能导致大跨径混凝土梁桥出现长期下挠和梁体开裂。本文针对混凝土梁桥病害成因，论证了体外预应力加固方法的应用价值，并在此基础上提出了一种半封闭式预应力拉索加固，理论上证实了该方法对改善主梁受力状况、抑制跨中下挠、控制裂缝开展效果显著。为了满足定期检测和评估的需要，本文方案努力将预应力加固体系做到“可测”、“可调”、“可换”，为其它相关桥型的加固提供了一个可行性方案。
参考文献：
[1] 陈高城. 混凝土结构耐久性分析及评判[D]. 西安：长安大学结构工程专业，2010.
[2] 陈肇元，崔京浩，朱金铨等. 钢筋混凝土裂缝机理与控制措施[J]，工程力学，2006，23（1）：86~90.
[3] 刘来星，赵小星. 桥梁加固设计与施工技术[M]，人民交通出版社，2003.
[4] 张树仁，王宗林. 桥梁病害诊断与改造加固设计[M]，人民交通出版社，2006：3~35，191~203.
[5] 谢峻，周国华. 体外预应力结构技术及应用综述[J]，东南大学学报，2001（1）：110~111.
[6] 戚家南，王景全，吕志涛. 体外预应力混凝土梁受剪承载力计算方法研究[J]，建筑结构学报，2015，36（1）：92~97.
论文作者:杨剑峰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/1/25
标签：预应力论文; 裂缝论文; 体外论文; 混凝土论文; 桥梁论文; 结构论文; 病害论文; 《基层建设》2018年第36期论文;