体外预应力法在混凝土维修加固中的应用
1.桥梁概况及损坏情况
佛山市某立交桥为预应力混凝土连续梁桥，跨度布置为35m+45m+35m，分左、右两幅。主梁采用单箱双室变截面，箱梁根部梁高2.5m，主跨跨中和边跨端部梁高1.7m，箱梁顶板宽19.68m，底板宽13.68m，翼板悬臂长度为3m，腹板厚度45cm-75cm，外侧采用直腹板，箱梁顶板厚28cm，底板厚25cm-50cm。主梁采用C50级混凝土，每个腹板采用6束17 ψ
j15.24 mm钢绞线，预应力管道采用φ90带钢波纹管，钢绞线强度等级为1860MPa。图1为该桥结构构造图。
该桥采用满堂支架法施工，但在施工过程中，由于支架不均匀下沉，箱梁混凝土浇筑完成后未能及时张拉预应力筋，工序间隔时间太长等原因，导致了箱梁顶面主墩横隔梁两侧顶板上发生了多处裂缝，部分裂缝由顶板延伸至腹板。以左幅为例，箱梁顶面裂缝达18条，裂缝长度大多己达到10m以上，裂缝宽度约0.2mm-0.5mm，随着支架继续下沉，最大的裂缝宽度达1.8mm，横贯整个箱梁顶面，并向下延伸至腹板约80cm处，裂缝宽度已远超出桥梁设计规范要求
[1]。
2.体外预应力法维修加固方案
从受力角度来看，该桥在预应力束张拉前，开裂截面实际已经改变了原结构的截面刚度，使结构内力发生了重分布。即使之后预应力束进行张拉，开裂截面的裂缝也闭合很小。因此，对于该桥的维修加固主要是通过增设预应力筋来提高结构安全储备，达到提高桥梁承载能力和改善桥梁受力状态的目的。
设计中提出增设体外预应力束筋和粘贴钢板的维修加固方案。该方案是将体外预应力束筋直接通过穿孔的方式从主墩横隔板中间直通，然后锚固于在边跨端部增设的锚固齿板上，每幅桥设置4束21φ
j15.24体外预应力束筋，主梁顶板上按一定间距粘贴钢板条来约束裂缝的继续扩张，如图2所示。为了确保结构的耐久性，在进行体外预应力束张拉前，对宽度大于0.15 mm的裂缝采用“壁可法”进行灌注进口优质高分子树脂处理
[2,3]，并外涂防护材料；对宽度小于0.15mm的裂缝，采用环氧材料进行封闭。
3.维修加固方案的分析计算
对该桥维修加固的分析计算分两个阶段分别进行。第1阶段为加固维修之前的成桥状态，该阶段支点附近截面开裂，分析时支点附近截面需按开裂后的折减截面刚度来计算，对应的荷载主要有结构自重、设计预应力和混凝土收缩徐变等。第2阶段为加固维修后的成桥状态，此时，由于裂缝得到处理，开裂截面基本闭合，分析时按全截面计算，对应的荷载主要有二期恒载、活载和加固时的预应力等。最后，将上述两个阶段各荷载作用下产生的应力叠加，即可得到加固后桥梁在荷载组合作用下的总应力。
分析时，采用有限元软件MIDAS建立空间力学模型，混凝土箱梁采用空间梁单元模拟，边界条件按实际情况施加。图3为全桥有限元模型。
表1列出了该桥各阶段各种荷载作用下控制截面处的应力，表1中取边跨跨中、中支点和中跨跨中共3个控制截面，桥梁其他截面处的应力都小于上述3处的应力，不一一列出。可见，桥梁维修后，在荷载组合作用下，各控制截面均有2.60 MPa以上压应力储备，桥梁受力状态满足要求。
4.维修加固方案的施工工艺、技术要点和优点
4.1 施工工艺
桥梁加固采用两箱对称单根两端同时张拉，张拉过程分两部分，即预紧张拉和高应力张拉。为了达到钢绞线从松散状态到张拉完成后顺直不缠绕，正式张拉前先要进行预紧张拉，预紧张拉的质量决定了整个加固效果的好坏。首先，钢绞线在松散状态下，即使采用了必要的措施，由于钢绞线很长，下垂量还是较大，因此，为保证两端粘结段长度大致相等，预紧要两端对称进行；其次，预紧张拉力的大小既要保证在预紧张拉过程中，钢绞线绷紧且不缠绕，又要保证在高应力张拉时钢绞线不错位，预紧张拉力过大或过小都达不到该目的。在加固施工中，预紧张拉力建议采用15%设计张拉力。高应力张拉过程中需多行程连续张拉，工作夹片要进行多次锚固。随着工作夹片的反复多次夹持钢绞线，齿问环氧涂层碎屑增多，应采取必要的措施消除环氧涂层碎屑引起滑丝现象，确保工作夹片的锚固效果。
综合来讲，本次增设体外预应力束筋和粘贴钢板维修加固方案的施工工艺可归纳为如下步骤：
(1)安装照明设备、通风设备、电源和人梯。
(2)灌注箱梁裂缝进行封闭。
(3)墩顶横隔板钻孔，直径20 cm。
(4)开齿槽、种植钢筋、涂界面胶，浇注锚固齿板块和转向隔板。
(5)待混凝土强度达到10%后，张拉体外束，要求分级、对称张拉。
(6)凿毛、找平、种植钢筋、粘贴固定加强钢板。
(7)设置体外束防震定位装置。
4.2 施工技术要点
为了保证可靠的锚固性能和粘贴效果，防止出现钢绞线缠绕以及新旧混凝土粘结不牢等不良后果，施工工程中除进行必要的技术交底外，还要注意以下几点：
(1)新旧混凝土结合面凿毛。开槽凿除混凝土应从凿除区域中间开始，凿除区域内原布设的钢筋应保留。凿毛结合面应平整，待钻孔种植钢筋后，应清洗干净。
(2)钻孔。应先探明预应力筋位置，应避免钻伤受力钢筋，量测定位好孔距后再钻孔。
(3)体外束张拉。采用两端同步对称张拉，采用单控，即控制张拉力。
(4)粘贴钢板。用修补胶泥填补找平后，植入固定钢板螺栓，打磨钢板结合面的氧化表层，安装固定好钢板；然后用101胶泥封好边，压入E 2300粘结胶粘贴钢板。
(5)锚头防锈处理。体外索的锚头采用外套锚罩，内填防锈材料进行防护。
4.3 技术优点
增设体外预应力束筋和粘贴钢板维修加固技术具有以下特点和优势：
(1)能够较大幅度地提高桥梁承载能力。加固后所能达到的荷载等级与原桥设计标准及安全储备有关，一般情况下可将原桥承载力提高30%-40%。
(2)加固中人力投入少，施工工期短。
(3)对原桥结构损伤小，可以做到不影响桥下净空，且不增加路面标高。
5.结语
体外预应力法能使主桥得到结构性补强，梁体刚度增大，恢复了原设计正常使用承载能力。后续观测表明，通车运营后桥梁未出现新的病害，原有裂缝未有扩展。这说明，该桥的维修加固达到了预期效果。
参考文献：
【1】JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S]，北京：人民交通出版社 2004。
【2】齐武生、滕燕宁，箱梁裂缝成因分析与“壁可”法加固技术应用[J]，公路交通技术 2004 6：86—88。
【3】杨齐海、吴德明，采用“壁可” 法处理加固大跨连续梁桥箱梁腹板裂缝[J]，建筑技术 2004 35(6)：459—460。
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