＜￡Ｂ 盟ＢＥ墨璺！ 铑构加阅与对幺 Ｑ 一 《颓左 技末》２０１ １年第６期总第８９期 体外预应力加固技术的设计与施工应用 窦勇芝 张枫林 韦福堂 孙长军 （柳州欧维姆工程有限公司 广西柳州 ５４５００５） 摘要：以南宁市邕江大桥加固工程为实例，经设计方案比选，采取体外预应力加固措施，并利用有限元分 析程序ｍｉｄａｓ进行体外预应力加固设计分析。计算结果和工程实践均表明：该体外预应力加固方法有效地改 善了原结构的内力、应力分布，提高了结构各控制截面的承载力，尤其是梁体自由端（挂梁侧）的下挠变 形得到改善。因此，其可作为同类体外预应力加固桥梁设计和施工的重要参考。 关键词：体外预应力加固设计施工有限元法 １引言 体外预应力加固是通过在梁体外增设预应力 梁）＋２３ｍ（挂梁）＋（１６＋５５＋１６）ｍ（双悬臂简 支梁）＋２３ｍ（挂梁）＋（１６＋４５）ｍ（单悬臂简支 梁）。上部结构为两个的单箱三室截面，两 个箱梁之间用简支板支承于箱梁的悬臂上；在墩 台处设置刚接的连续横隔梁，其余的横隔梁均为 简支，用以支承煤气、水管管道。下部结构北岸 为埋置式桥台，南岸为ｕ型桥台。桥墩采用双柱 式，支承于分离式沉井基础上。１号墩和４～６号 墩为筑岛及就地预制沉井基础，２号墩、３号墩因 施工水位深达ｌｌｍ，采用预制双层薄壁钢筋混凝 土浮运沉井。 索，并与被加固的梁体锚固联结，对既有混凝土 梁体主动施加预应力，强迫后加的预应力索受 力。通过加固从而改变原结构的内力分布，并降 低原结构应力水平，使结构承载力显著提高，且 可减少结构的变形、使得裂缝宽度缩小甚至完全 闭合 Ｊ。其特点是体外索只在锚块和转向块处与 结构相连，体外索完全依靠锚固系统提供预加 力 ＿４］。 本文结合邕江大桥的加固工程，根据大桥检 测报告结论，对于主要承载力构件，需提高各控 制截面的承载能力，以确保结构安全。经设计方 案比选，采取体外预应力加固措施，并利用有限 元分析程序ｍｉｄａｓ进行体外预应力加固设计分析， 通过张拉加固施工实践证明，该体外预应力加固 方法有效地改善了原结构的内力、应力分布，提 高了结构各控制截面的承载力，可为同类体外预 应力加固桥梁的设计和施工提供借鉴。 邕江大桥于１９６４年７月正式通车。经过近４５ 年的正常运营后，２００７年经检测确定该桥存在不 同程度影响安全运营和正常使用的病害，其中该 桥支点负弯矩区箱梁顶板出现大量横桥向裂缝， 且大部缝已贯通箱梁顶板，并向两侧腹板延 伸，裂缝宽度大多在０．１ ０．５ｍｍ间，个别裂缝宽 度达到１．０ｒａｍ，远超出《城市桥梁养护技术规 范》ＣＪＪ９９—２００３第５．４．２条要求，裂缝宽度、数 量较１９９８年的检测结果增加较多。故针对箱梁支 ２工程概况 广西南宁市邕江大桥是南宁市沟通邕江两 岸的一座重要桥梁，邕江大桥为国内最早采用 点负弯矩区的承载力严重不足，考虑按照汽一１５、 挂一８０、人群３．５ｋＮ／ｍ２的设计标准进行加固。 闭口薄壁杆件理论设计的一座悬臂式钢筋混凝 土薄壁箱型城市桥梁。桥梁全长３９４．６ｍ，桥梁 全宽２４．６ｍ，设计荷载等级为汽一１８、拖一８０，桥 梁结构跨径组成为（４５＋１６）ｍ（单悬臂简支梁） ＋２３ｍ（挂梁）＋（１６＋５５＋１６）ｍ（双悬臂简支 根据检测报告结果，箱梁抗弯承载力加固初 步设计有两个方案： 方案一为采用体外预应力主动加固措施。主 要考虑到单悬臂简支梁部分，其箱梁原截面经计 算为超筋截面，且承载能力不能满足受力要求， 铑构加固与对久 《ｊ５ｆ名 技末》２０１ １年第６期总第８９期 由此认为原结构截面尺寸偏小，不宜通过粘贴钢 故选用体外预应力进行箱梁抗弯承载力加 板和粘贴碳纤维布的办法进行加固处理，只能通 固。箱梁内设置体外预应力钢束，两端分别锚 过增加体外预应力钢束或增加受压截面尺寸的方 固于箱梁的梁端。沿桥梁横断面方向共设置６根 法进行加固处理。考虑到增加顶、底板厚度非常 ９＠１５．２ｒａｍ的体外预应力钢束，每个内腹板对 困难且难于实施，故此处推荐通过施加体外预应 应２束，外腹板对应１束（置于箱内）。其中，双悬 力的方案进行加固处理。 臂简支梁在箱梁Ｌ／４跨位置通过三个转向块分两 方案二为采用粘贴钢板和粘贴碳纤维板的被 批进行下弯，下弯角度分别为ｌ３。和９。，三个 动加固措施。对于双悬臂简支梁部分，此处通过 转向块一次设置于距中支点第一个横隔板至第三 在支点粘贴钢板和跨中底板粘贴碳纤维板对原结 个横隔板位置，如图１所示；单悬臂简支梁中支 构进行补强加固。 点方向在箱梁Ｌ／４跨位置通过三个转向块分两批 经过方案比选，认为体外预应力加固方案由 进行下弯，下弯角度分别为１４。和１１。，三个转 于仅需在原结构上增加齿板与转向块，对原结构 向块一次设置于距中支点第一个横隔板至第三个 扰动较小，且整个施工过程均可在箱梁内部完 横隔板位置，在端支点方向的第一道横隔板和第 成，施工操作起来相对简单；而粘贴钢板方案由 二道横隔板处分两批下弯，下弯角度分别为７。 于需清除原结构支点处桥面铺装，且需要在原结 和８。，如图２所示。 构顶板设置较多的锚栓孔，对原结构扰动相对较 锚固结构采用Ｃ５０自密实预拌混凝土，体外 大，且整个施工过程均在箱外进行，尤其是跨中 预应力索单孔采用＠ｌＪ￣ｌ＇ｌ欧维姆机械股份有限公司 底板粘贴碳纤维板更是需要搭设支架或吊架方可 生产的 ９＠１５．２４ｍｍ带ＰＥ护套的环氧涂层钢绞 完成，施工操作起来相对较为困难。另外，从经 线，锚具采用ＯＶＭＴＳ１５—９型体外预应力专用锚 济费用比较，对于建安费方案一比方案二节省约 具，千斤顶采用配套ＹＤＣＳ５５００悬浮张拉斤顶。 ３９＿３％。 锚垫板的尺寸为２４０ｒａｍ Ｘ ２４０ｍｍ×２９０ｒａｍ，体外 主桥箱梁纵剖面图 １．２５０ Ⅶ 一 —— ｊ坐————— ———— ————— ＿２———— ———— 桥 一 Ⅶ 图１双悬臂简支箱梁体外束布置立面示意图 圭堑堑 型 里１：２５０ ） Ⅸ］Ⅶ］ Ⅶ］ Ｖ］ Ⅳ］ ｍ］ ５４７ ５ ５０ ７００ ５０ ７００ ５０ ７００ ５０ ７００ ５０— ６９２．５ 一ｌ二 桥台支座尸 转向块 桥墩支座 中心线／ 中心线 Ｘ —］Ⅶ＿Ⅸ＿ｒＪ ｊ ｒｊ一Ⅶ一 Ⅵｊ Ⅵ＿— ｒｊ 型堑 Ｊ ｖ Ⅳ＿－ｊ童！＋ 堂丝差 ／Ｉ 一 Ｉ Ⅲ 图２单悬臂简支箱粱体外束布置立面示意图 ＳＴＲＥＳＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ）－－－－ ￣ＰＲＥ铑构加阅与耐久 《孑５ｉ左 技末》２０１ １年第６期总第８哟 索锚下控制应力为０．６ Ｘ １ ８６０ＭＰａ，弹性模量取 １９５ＧＰａ。 （２）为了使设计荷载与相应的设计方法对 应，此处均按桥规《公路桥涵设计通用规范》 （ＪＴＪ０２１—８９）及《公路钢筋混凝土及预应力混 凝土桥涵设计规范》（ＪＴＪ０２３—８５）对桥梁结构 进行计算分析。 ３．２主要计算参数及荷载组合 ３体外预应力加固设计 ３．１计算分析原则 因本桥为运营多年的旧桥，且桥梁结构本 身存在诸多缺陷。因此，为了确保计算结果合 理，且具有足够的可靠度，计算分析按下述原 计算分析中，根据各材料的不同，各主要计 则进行： 算参数如表２。 （１）根据中华人民共和国交通部部颁标准 计算分析主要按如下两种荷载组合对箱梁支 《公路旧桥承载能力鉴定方法》（１９９８年），并 点、跨中、反弯点的内力、承载能力及加固后的 参照中华人民共和国行业标准《公路桥梁承载能 结构应力情况进行了计算，具体荷载组合方式如 力检测评定规程（报批稿）》，计算分析时考虑活 下： 载影响修正系数、钢筋截面折减系数、混凝土截 荷载组合Ｉ：恒载＋预应力荷载＋汽车一ｌ５级 面折减系数、承载能力恶化系数和承载能力检算 ＋人群荷载 系数等主要计算参数，具体如表１所示。 荷载组合Ⅱ：恒载＋预应力荷载＋挂车一８Ｏ 表１ 计算分析主要调整系数一览表 ３．３计算程序及计算模型 采用有限元计算程序ｍｉｄａｓ对邕江大桥进行 计算分析，考虑到该桥分为双悬臂、单悬臂和挂 梁三种结构，故分别对双悬臂简支梁和单悬臂简 支梁按空间梁单元模拟（如图３和图４所示）。同 图３单悬臂箱梁计算模型 时，为了保证加固设计的合理性，确保桥梁结构 在体外预应力施加后齿板及转向块部位的局部受 力安全，通过建立局部实体单元模型对锚固齿板 及转向块进行了局部分析ｐＪ。 图４双悬臂箱梁计算模型 ——略 ｆ！ 铑构加固与对欠 ！ Ｅ墨墨！ ｇ ９ 一 《谈左力技不》２０１ １年第６期总第８９期 ３．４主要计算结果 转向块在“径向力”的作用下，转向块与原 由于篇幅有限，如下仅列出部分计算结果。 有结构连接位置剪应力在１．１ＭＰａ一２．６ＭＰａ之间， （１）承载能力极限状态 转向块自身的最大剪应力分布０．７ＭＰａ一２．３ＭＰａ， 此处对单悬臂梁、双悬臂梁的支点截面和跨 均小于规范限值，说明体外索对转向块所作用的 中截面分别进行了抗弯极限承载能力验算，同时 径向力，对转向块与原有结构连接位置的影响 对支点截面和Ｌ／４截面进行了抗剪极限承载能力 较小，通过种植钢筋等措施可以使之满足受力 验算，具体计算结果如表３所示。 要求。 由表３计算结果可知，加固后桥梁结构的内 由计算分析可知，新增齿板处新旧结构连接 力有所改善，桥梁结构的整体安全储备得到很大 位置的最大剪切应力数值范围为１．６ＭＰａ～３．１ 提高。 ＭＰａ，设计中通过设置种植钢筋和剪力槽等构造 （２）齿板及转向块局部分析结果 措施，可以保证结构的局部受力安全。 表３ 抗弯极限承载能力验算结果 ４体外预应力张拉施工方案与实施 凝土凿除，露出所有钢筋骨架；②腹板上钻孔植 ４．１体外预应力张拉施工方案 筋；③安装槽钢、螺纹钢，通过压力灌胶法，保 由于该体外预应力加固的锚固结构直接锚固 证槽钢与原结构｝昆凝土可靠粘结，同时螺纹钢分 在箱梁截面的顶板、腹板上，原施工方案为：① 别与槽钢、钢筋骨架可靠焊接；④锚垫板、预埋 在箱梁顶板、腹板上钻孔植筋；②锚垫板、预埋 管定位安装；⑤绑扎钢筋，对于顶板上钢筋须与 管定位安装；③绑扎钢筋；④安装模板；⑤浇筑 原结构受力主筋可靠焊接。其余工序⑥ ⑩同原 混凝土；⑥混凝土养护，拆模；⑦穿体外索；⑧ 施工方案④ ⑧。 张拉体外索。经过现场检测，原结构混凝土表层 体外预应力体系张拉质量控制要点如下： 均存在不同程度的碳化，混凝土强度不足；同 （１）体外束钢绞线及锚具进场后，应分批 时，考虑到为改善锚固结构与箱梁顶板连接处的 严格检验和验收，按有关规定对每批钢绞线抽检 局部应力分布，保证锚固结构与箱梁截面的可靠 强度、弹性模量、截面积、伸长值和硬度，不合 连接以及便于施工和安全操作，对原施工方案进 格产品严禁使用。 行了如下改进 Ｊ：①对锚固结构相应于箱梁顶板 （２）所有预应力管道以及预埋管安装的位 范围混凝土进行开“天窗”处理，即将原顶板混 置必须按照图纸准确定位，严禁人踩踏和挤压体 辔一 ｛ Ｅ§！ §§！ 铑构加阅与对久 一 《预左 技术》２０１ １年第６期总第８９期 外束钢绞线，防止体外束ＰＥ保护套破裂。 （３）所有预应力钢束的张拉要求采用张拉吨 部位布置测点进行监测。对于４个单悬臂简支箱梁 部分和４个双悬臂简支箱梁部分，张拉过程中各桥 墩控制截面最大压应力和最大拉应力值如表４。 由表４可知，张拉过程中控制截面最大压应力 位与伸长值双控，以伸长值为主，实际伸长值与 理论伸长值的差值应控制在６％以内，否则应停工 检查，分析原因并处理完成后方可继续张拉。 （４）钢束张拉时，应尽量避免滑丝、断丝现 象，当出现滑丝、断丝时，其滑丝、断丝总数量 和最大拉应力值均在应力正常范围之内，满足规范 要求。另外，对于锚固结构进行了重点监测。测点 主要布置在近锚固端顶板连接处和自由底面，经监 不得大于该断面总数的１％，每～钢束的滑丝、断 测测点横向最大拉应力为０．３０６ＭＰａｔ６Ｊ，在规范允许 丝数量不得多于一根，否则应换束重新张拉。 范围之内。在整个施工分级张拉过程中，严密观察 （５）在整个施工过程中必须严格按照纵横 锚固结构等各关键部位，经现场检查，在张拉过程 向对称、同步、均衡的原则进行各项目的施工。 中均未出现影响结构安全的混凝土裂缝，表明新增 ４．２体外预应力张拉实施与监控 锚固结构与原有箱梁截面连接可靠，有效地通过锚 在体外预应力索张拉过程中，严格按７级分级 固结构将体外预加力施加到原梁体构件上，各项应 张拉，并进行施工监控，对原结构的关键截面、 力值均满足规范限值要求 Ｊ。 表４ 张拉过程中桥墩各控制截面应力值 。 （单位：ＭＰａ） ５结语 参考文献 【１］ 谌润水，胡钊芳，帅长斌．公路旧桥加固技术与实例 通过对邕江大桥单悬臂简支箱梁和双悬臂简 ［Ｍ】 北京：人民交通出版社，２００２．９３—９６． 支箱梁分别施加体外预应力，经工程实践证明， 『２］ 徐栋．节段施Ｔ体外预应力桥梁的极限强度分析【Ｄ】．上 有效地提高了支点负弯矩区的承载力，改善了原 海：同济大学，１９９９． 【３］ 王宗林．体外预应力混凝土桥梁极限分析［ＤＩ．哈尔滨： 结构的应力分布，特别是梁体自由端（挂粱侧） 哈尔滨工业大学，２００１． 的下挠变形得到改善。另外，对于体外预应力加 ［４】 杨美良，李传习，张建任，卢春玲．体外预应力桥梁锚固 结构的受力性能与配筋研究［Ｊ１＿工程力学，２００８，２５ 固桥梁的锚固结构设置，应视旧桥构件部位、既 （６）：１５９—１６４． 有混凝土状况以及施工操作难易，合理选择锚固 ［５】 窦勇芝，汪孝龙．体外预应力加固桥粱锚固结构的细部分 析［Ｊ１＿预应力技术，２０１０，（３）：８－１３． 结构型式，并进行必要的锚固结构设计计算，采 ［６］ 广西大学设计研究院．南宁市邕江大桥体外预应力张拉试 取有效地构造措施，从而保证锚固结构在整个体 验阶段报告［Ｒ】．广西：２００９． 【７］ ＪＴＪ Ｄ６２—２００４，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 外预应力加固体系中安全、可靠地使用。 规范ｆＳ］．２００４．
