关键词:体外预应力；加固方案；设计
基于以上背景，本文开展由于荷载等级的提高，组合箱梁极限承载力能力不能满足现行标准的要求，如何采取措施对其进行加固。通过加固方案的比选得出较为合适的体外预应力与粘贴钢板综合加固措施，从结构受力角度分析认为，该方法能改善主梁预应力水平，增加结构安全储备，弥补结构预应力损失，且经济性较好。并提出施工过程中的一些注意要点，为同类型桥梁加固提供参。
1.0工程概况
G30连霍高速新墟互通建成于2002年，现拟新增由西向北、由北向南方向两条匝道，接入310国道（港城大道）。需对原高速公路桥梁（101#-110#）桥跨进行拓宽改造。按照“上部结构连接、下部结构不连接”的原则，在保证上部“结构同型”的前提下，选择同一跨径来布设，以满足桥梁设计要求。
拓宽改造桥梁左右幅共计4 联（20孔），桥跨布置为5×35m+5×35m。全桥左、右两幅等宽，单幅桥宽13.5m，单幅横向布置为0.5m（护栏）+12m（行车道）+1m（护栏）。上部结构采用预应力混凝土组合箱梁，下部结构采用桩柱式。原设计荷载：汽车-超20级，挂车-120。改造后设计荷载为公路-I级（JTG D60-2015）。
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图2.1 横断面图
2.0加固方案的选取
针对组合箱梁，目前常用加固方法主要有体外预应力加固、底板粘贴钢板加固、底板粘贴碳纤维加固以及预应力碳板加固等，根据分析结果（跨中截面抗弯承载力缺少较多、应力指标不满足规范要求）以及各种加固方法的效果，单一使用底板粘贴碳纤维或粘贴钢板对结构承载能力的提高幅度与截面应力的改善有限，因此，本文主要讨论体外预应力加固与预应力碳纤维板加固两种加固方式的比选。
根据桥梁整体分析结果，对组合箱梁增设体外预应力加固设计指标如下可满足要求：边跨边梁与中梁均采用2束4Фs15.2 钢绞线；其余孔跨边梁采用2束6Фs15.2钢绞线，中梁采用2束5Фs15.2钢绞线，锚下张拉控制应力为。
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图3.2 边跨体外束设置示意图
根据验算结果，预应力碳板（规格3.0mm×50mm）至少要6片才能满足组合箱梁抗弯承载力的要求；而要达到体外预应力的效果，则需要8片；组合箱梁由于钢绞线与构造尺寸的限制以及腹板不宜布置预应力碳板等，一片组合箱梁一般设置2-3片，不能满足承载力的要求。
针对本项目，由于荷载等级的提高，结构承载能力需提高较多，预应力碳板由于布置问题在本项目上较难实施。对组合箱梁进行体外预应力加固后，除中梁边跨跨中截面富余度超过10%，其余截面抗弯承载力富余量不大，同时考虑体外预应力为后加固，体外束束数应合理配置，预应力度不应太大，最终选取体外预应力与粘贴钢板综合加固措施，体外预应力加固主要是提高原梁体的承载力，粘贴钢板主要是提高承载力安全储备并改善锚后局部拉应力。
3.0加固设计分析
4.1 正截面抗弯承载力计算
结合配束情况，对组合箱梁进行体外预应力加固，其承载能力汇总如下表。
表4.1 跨中截面抗弯承载能力汇总表
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由上表可知，增设体外预应力后，跨中截面抗弯承载力均满足规范要求，但富裕度不大；墩顶截面按照最不利验算后其抗弯承载力均满足规范要求，且富裕度较大。
4.2 混凝土锚固齿块细部分析
局部分析采用ANSYS分析程序计算，混凝土采用实体单元模拟，锚固块处的作用效应按照面荷载施加到锚固块的锚垫板区域，效应取1.3倍永存预加力。结构计算模型如下图所示。
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图4.3 竖向应变云图
如图中所示，锚固齿块除交接面处外，应变范围较为合理，交接面处个别拉应变达到75με，换算拉应力约为-2.6MPa，满足规范要求。
4.3 锚固钢筋设置
混凝土锚固齿块与定位齿块均需通过植筋方式与原组合箱梁形成整体，设计图形中植筋位置一般均会考虑避让原预应力钢筋，但植筋时仍应先探明原钢筋和预应力钢筋位置，避免造成损伤。锚固钢筋对边跨锚固块和中跨锚固块分别采用植筋12mm和16mm的三级钢，植筋间距主要按照10cm控制，但应注意避让原结构钢筋和预应力钢绞线，植筋深度可按照10d控制，并注意与腹板厚度的关系。
4.4 其它
（1）混凝土锚固齿块
混凝土锚固齿块一般通过在腹板侧面开凿一定深度设置剪力槽和植筋方式，实现新增锚固齿块和组合箱梁的连接。混凝土锚固块采用C55高强早强无收缩自密实混凝土，当采用其他材料时，其性能指标不得低于设计材料的性能指标要求。
（2）混凝土定位齿块
对中间通长束，在中跨墩顶增设混凝土定位齿块，内部预埋钢管进行定位，兼备一定的转向和误差调整功能，混凝土材料性能要求同锚固齿块。
（3）钢结构转向块
中跨体外预应力束弯起处设置转向装置，边跨体外束采取在锚固齿板内预埋转向钢管转向。钢结构转向块由锚固钢板、限位钢板和转向钢管组成，锚固钢板通过锚栓和压力灌浆固定于箱梁梁体，限位钢板与锚固钢板焊接，转向钢管与限位钢板焊接，最终形成钢结构转向块。
（4）减震器
根据相关规范要求，当体外索的自由长度超过8~10m时应设置减震定位装置。一般采用成品减震器，通过L型螺杆焊接在底座钢板上，底座钢板通过锚栓固定于箱梁梁体。
（5）抗震挡块改造
混凝土锚固齿块和定位齿块一般设置于梁端处，与抗震挡块有一定的冲突，一般建议的做法是：拆除连续墩顶锚固齿块和定位齿块处抗震挡块，在边梁内侧植筋，绑扎钢筋后，新浇筑混凝土抗震挡块。
4.0施工注意要点
（1）转向钢管的放样
由于组合箱梁腹板是斜腹板，一般常规设计钢束竖弯大样图是采用正投影，而实际施工需要的是斜面投影，也即垂直腹板面投影，施工放样时应注意投影面。
（2）植筋
首先用钢筋探测仪探测箱梁普通钢筋及预应力钢筋位置，并在箱梁上放样，标明具体位置。根据设计图纸布置，在做新增齿块的位置，用冲击钻钻孔，用压缩空气清除孔内浮尘，注意孔内浮尘的清理必须由孔底向孔口清理（硬质排气管插入孔底，再后拔1～2厘米）。凿毛接触面混凝土，种植钢筋，焊接、绑扎钢筋，形成钢筋骨架，布设预应力管道。
（3）混凝土浇筑及养护
钢筋骨架形成后，按照齿块的形状立模，然后浇筑混凝土，浇筑时采用振捣或其他有效措施使混凝土密实，避免空洞及蜂窝麻面的发生。混凝土浇筑前应进行配合比试验，以确保混凝土的各项指标满足设计要求。浇注好新增齿块后应加强养生，混凝土养护龄期应不少于7天，且混凝土强度达到设计强度的90%后方可进行张拉工作。
（4）预应力张拉分级及伸长量控制
相关准备工作完成，即可进行张拉，应对称、均衡张拉至设计吨位，应严格按相关顺序进行分级张拉，0→15%→30%→50%→80%→100%，并持荷5min，如发现油压表读数下降，因立即补压至控制应力标定的油压表读数。）预应力钢束张拉采用伸长量与张拉吨位双控，伸长量误差范围±6%。预应力张拉顺序一般建议先边梁后中梁，先长束后短束。
5.0结语
随着我国公路交通流量的持续增长，公路改扩建会越来越多，桥梁由于拼宽后荷载等级的提高，老标准设计的组合箱梁承载能力极限状态一般不能满足现行标准要求，本次设计遵从结构安全、耐久适用、经济合理的原则，经过方案比选及计算分析，为组合箱梁桥的加固提出了切实可行的加固措施，同时针对加固施工过程中一些注意要点进行了简单的阐述，希望通过本工程，为今后组合箱梁加固方式提供有益的参考和借鉴。
参考文献：
[1] 张树仁，王宗林．桥梁病害诊断与改造加固设计．北京：人民交通出版社．2006．
[2] 陈兆毅.某预制小箱梁桥的病害分析和加固研究.大连理工大学硕士学位论文 2008，6.
[3] 公路桥梁加固设计规范[S]. JTG/T J22-2008.
［4］混凝土结构加固设计规范［S］．GB50367—2013
作者简介：宣有金：1973年10月生，男，高级工程师，主要从事道路桥梁工程方面建设管理和研究。
论文作者: 宣有金
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第19期
论文发表时间:2020/3/16
标签：预应力论文; 锚固论文; 组合论文; 混凝土论文; 体外论文; 钢板论文; 承载力论文; 《科学与技术》2019年第19期论文;