大跨度预应力混凝土桁架桥梁加固技术

【摘要】大跨度预应力桥梁随着我国交通事业的的不断发展而逐渐被广泛使用，并且其施工技术也越来越成熟。但是由于人为因素或者施工工艺等原因，大跨度预应力混凝土桁架桥梁也会产生一些病害。本文以我国某地区下承式预应力混凝土桁架桥桥梁为例,详细分析了该桥产生病害的原因,并针对性的提出大跨度预应力混凝土桁架桥梁加固的方法。

【关键词】混凝土；桁架桥；病害；大跨度预应力桥梁

[Abstract] With the development of traffic and became widely used, Long-span prestressed concrete bridge and its construction technique is becoming mature. But because of the human factor or construction process and other reasons, large span prestressed concrete bridge girder will produce some diseases. In this paper a region in China for prestressed concrete truss bridge as an example, a detailed analysis of the cause of disease of the bridge, and puts forward methods of large span prestressed concrete truss bridge reinforcement.

[keyword] concrete; truss bridge; disease; large span prestressed concrete bridge

中图分类号：U448.21+1

1.前言

随着我国交通事业的的不断发展，大跨度预应力桥梁逐渐被广泛使用，并且其施工技术也愈来愈为成熟。这种桥梁具有施工场地空间小、拼接速度快、施工难度低等优点，获得了很多国家的青睐，具有广阔的发展前景。在二十世纪九十年我国建设了比较多的下承式预应力混凝土桁架桥，但随着建造日期久远，混凝土徐变不断的积累，再加上近些年来日益增加的交通量，使这种类型的桥梁不断暴露处病害[1]。为了满足目前交通发展的需求，我们有必要这种类型的桥梁进行加固处理以修复既有的病害。

2.工程概况

地处我国某地区的跨京杭运河桥梁属于大跨度预应力桥梁，在1993年竣工而成，设计荷载级别为汽-10，并按人群荷载3.5×103N/m2验算。整体桥面有着4.5m净宽度，55.0m的主孔计算跨径，以及13m的两端边孔，采用C50混凝土作为桥梁的主桁架。该桥有着下承式预应力简支桁架桥的上部结构，其竖杆以及下弦杆均施加预应力，其中预应力的形式采用冷拉V级粗钢筋轧丝锚体系,在建造时充分依据先建桥后挖河的具体情况采取就地组拼的形式, 预应力分段施加[2]。下承式预应力混凝土桁架桥的桁架梁纵向共分五段预制构件，采取整体放样和浇注的形式分为五段进行拼装。全桥的上、下游各有9根预应力混凝土竖杆，总共有18根，为了方便拼装竖杆，在对原桥施工的过程中将竖杆设置为每隔一根为“双杆”的形式，其中杆件编号见图1。

图1 桥梁结构布置示意图

竖杆的横截截面为矩形结构，其中单杆构件截面为0.2m×0.5m,双杆竖杆中的每根单杆截面为0.15m×0.5m。整个桥梁的桥面行车道板为冷拔低碳钢丝预应力空心板，规格为Φ5 mm的。以盆式橡胶支座作为桥梁的支座。

浙江大学土木测试中心的工作人员在2006年对该桥进行人工调查，调查的范围包括主要承重构件的露筋、碳化以及裂缝等情况。调查结果发现的病害主要有以下几个方面：

（1）桥梁桁架的竖杆横向裂缝比较多，而且具有分布较密集的特点；

（2）桥梁的主桥面有多碎边处、局部坑槽以及裂缝等现象,在两端桥头桥面局部沉陷，缝料破损、老化，在其中的伸缩缝连接处有连接部件错位松动的现象；

（3）局部竖向腹杆以及弦杆出现部分露筋和锈蚀的现象，有些弦杆的表层混凝土有严重破损、老化情况；

（4）桥梁桁架的主要承重杆件（如桥梁底板表层、下弦杆以及竖杆等）出现混凝土碳化的情况。

该下承式预应力简支桁架桥出现以上病害的原因主要是，杆件内部预应力由于桥梁的混凝土以及竖杆中预应力筋的徐变而不断丧失,进而引起桥梁出现宏观受拉横向裂缝。

3.加固方案

桥梁竖杆构件为整个桥梁的关键受力构件，桥梁能够承受较大的拉力主要是通过杆件内部预应力钢筋来完成的，而以混凝土材料做成的斜腹杆可充分发挥材料自身的高抗压特性[3]。在桥梁最不利荷载作用下采用MIDAS（一种三维有限元软件）计算竖杆的轴力。计算结果显示，在交通荷载(汽-10)下桥梁两端的竖杆（即1号和9号竖杆）所承受的拉力为1.2×105N，竖杆承受的拉力大小从端部向跨中逐渐降低,其中中间竖杆（即5号竖杆）所受拉力最小,约为6×104N，因此桥梁跨中竖杆承受的拉力约为两端竖杆承受拉力的1/2。由于该桥处于交通枢纽的位置，交通事业极为发达，为了不影响桥梁正常的交通量，管理部门要求应将该桥封闭交通的时间控制在两天以内。以上因素决定了针对桥梁的加固施工工期不能过长，再加上对该桥的竖杆构件进行加固处理即可基本解决该桥的病害这一实际情况，因此对该桥加固的重点为桥梁竖杆构件。根据以上软件的计算结果，综合估算的该桥预应力损失大小，再加上对加固施工工期以及预期效果的要求，加固的对象主要为对桥梁端部的竖杆（即1-3号以及7-9号竖杆），上、下游需要加固的竖杆加起来共12根。

对大跨度预应力混凝土桁架桥桥梁竖杆的加固方式可采用两种方案，具体如下：

（1）通过对桥梁竖杆粘贴碳纤维布的方式达到增强杆件抗拉能力的目的。在对竖杆粘贴碳纤维布时，需要将杆件方向与布的纹理方向平行才能进行粘贴过程[4]。虽然碳纤维布具有较高的抗拉强度，但只有在桥梁受力较大时才能充分发挥其抗拉强度高的优势，因此不是“主动”地增加竖杆的抗拉能力。另外，采用这种方式的施工工期较长，并且施工成本较高，可以不予考虑。

（2）采用具有高强度性的钢筋加固杆件以达到补充杆件预应力的目的。这种方案补充竖杆预应力较为“主动”，其优势包括：（a）“主动”增加杆件预应力, 可以改善桥梁整体的受力状态，使受拉裂缝闭合；（b）可以精度控制预应力的张拉；（d）施工工期短，灵活方便；（c）施工成本较低。综上所述，第二种方案加固效果和经济效益比较好，可以选用。

该大跨度预应力混凝土桁架桥建造时间至今已有二十多年，由混凝土的徐变规律可知混凝土的后续徐变程度比较小，总体具有稳定性，另外，原桥梁的竖杆构件也是预应力构件，混凝土由竖杆采用体外预应力加固时产生的徐变量小基本可以忽略[5]。

该大跨度预应力混凝土桁架桥加固处理对象除了竖杆构件外,还对桥墩、桥面以及斜腹杆等表面构件采取了环氧砂浆修补处理，重新铺装了主桥桥面的防水层，并对桥梁伸缩缝予以更换等一系列措施，以达到提高桥梁的耐使用性的目的。

4.体外预应力加固

4.1体外预应力筋

采用具有高强度性能的螺纹钢作为体外预应力筋对竖杆构件进行加固处理。在每根竖杆位置安装四根螺纹钢，其中螺纹钢抗拉强度9.8×105Pa,

4.2 体外预应力张拉控制力

考虑到该桥竖杆端部预应力徐变等因素,体外预应力的有效预应力按总预应力0.7倍计算。1号和9号杆有效预应力按4×104 N，超张拉2×104N；2号和8号杆有效预应力按3×104N,超张拉1.8×104N；3号和7号杆有效预应力按2.5×104N计,超张拉1.1×104N。计算结果显示，锚垫板最大主应力约为1.5×108Pa，满足要求；混凝土应力增量分别为：1号和9号杆6×105a，2号和8号杆3.2×105Pa,3号和7号杆3.6×105Pa。

4.3 体外预应力张拉

横桥的方向,处在同一横截面的竖杆同步进行张拉；顺桥的方向,依据先边后中的顺序进行张拉。在竖杆锚垫板四个角点每个点上都布置一个千斤顶，其下端顶在锚垫板上，上端顶在工具锚板上，其中用螺纹钢和螺母连接锚垫板和工具锚板。

5.加固效果

在该桥经过加固后对其进行荷载试验，由实验结果可知加固后该桥的主要受拉杆件应力幅值明显降低了，加固处理明显改善了桥梁关键力学指标。至该桥加固完成至今已经经历六年的时间，该桥加固处理效果非常显著，经过加固处理后的桥梁竖杆的上、下两个端部外观良好，竖杆构件均未出门明显的横裂纹现象，桥梁整体运营状况良好。

6.结语

大跨度预应力混凝土桁架桥桥梁施工控制技术是保证大跨度预应力混凝土桁架桥工程质量的重要手段，对桥梁的安全运行具有特别重要的意义。采用具有高强度性能的钢筋对大跨度下承式预应力混凝土桁架桥梁杆件进行加固处理能够在较大程度上提高桥梁的安全性能，改善桥梁的技术状况。

【参考文献】

[1]朱宇锋、王解军.大跨径连续刚构桥施工控制中的混凝土徐变分析[J].公路工程,2008,(01):55-59.

[2]刘旭政、黄平明.许汉铮独塔斜拉桥参数敏感性分析[J].长安大学学报（自然科学版）,2007,(06):92-94.

[3]王星海、张玉平、李传习.株洲建宁大桥施工阶段主梁截面应力监控[J].长沙理工大学学报（自然科学版）,2007,(02):103-107.

[4]狄谨、陈爱萍、戴鹏.滑动模架在连续梁桥施工中的有限元分析[J].长安大学学报(自然科学版) ,2009(15):78-79.

[5]戴明逊.大跨度预应力混凝土箱梁防范质量通病对策[J].世界桥梁,2010,(12):72-74.