摘要：针对国内已建大跨预应力混凝土桥梁的运营现状，以佛开高速公路汾江大桥为例，分析桥梁病害成因。提出采用轻质混凝土置换桥面系与体外预应力相结合的加固改造方案，为同类桥梁的加固改造提供参考。
关键词：大跨预应力混凝土桥梁，病害成因，加固改造，轻质混凝土，体外预应力
1概述
广泛应用于公路及市政建设中的大跨预应力混凝土桥梁，由于混凝土收缩徐变的不断发展、钢束预应力损失、超载及施工缺陷等因素的影响，常出现主跨持续下挠并伴随开裂病害，直接影响到桥梁的安全运营和正常使用，因此，寻求合理的加固改造方案显得必要而急迫。
2桥梁现况
佛开高速公路汾江大桥主桥为（65+100+65）m预应力混凝土连续箱梁，桥梁的病害现状主要表现为：主跨下挠继续发展；顶板纵向裂缝、腹板斜裂缝不断增加并持续发展。
3病害原因分析
（1）实际桥面铺装厚度过大
根据《桥面铺装整治工程竣工图》和相关检测，汾江大桥主桥桥面铺装的实际厚度如图所示。
图1汾江大桥主桥桥面铺装厚度
左、右幅主桥的实际铺装厚度基本上都大于设计铺装厚度，且分布离散。
为了考查不同铺装厚度对桥梁结构的影响，对8cm设计铺装厚度和实际铺装厚度所产生的单项竖向位移进行了对比分析。
图2汾江大桥主桥桥面铺装单项作用下主梁竖向变位结果对比
根据计算结果，跨中实际铺装厚度过大，对主桥的长期变形影响很大，导致跨中挠度大幅增加，主跨下挠继续发展。
（2）超载严重
主跨跨中截面最大正弯距的标准值和频遇值，随机车辆模型的计算值要比2004规范值大30％左右。边跨合拢截面最大正弯距的标准值和频遇值与跨中截面最大正弯距结果相似，也是随机车辆模型的计算值要比2004规范值大，在37％左右。
桥梁超载现象严重，导致预应力钢束的疲劳损伤，结构刚度下降；另外，重载交通作用下直接导致桥面板开裂，耐久性大大降低。
（3）预应力损失过大
汾江大桥左幅主桥的预应力损失较为明显，其中墩顶截面剩余预应力约为原张拉力（2250KN）的85％左右，而跨中截面剩余预应力仅为原张拉力的60％左右。
（4）施工中不确定因素的影响
超重：施工时模板安装偏差、施工控制不当等因素都可能造成箱梁内局部浮浆过厚，使得桥梁自重增加，进而影响桥梁的内力和位移。
立模高程偏差：立模高程的偏差可能会造成使桥梁预拱度与设计预拱度相差较大，若预拱度设置不足，会加大桥梁的下挠。
合拢误差：合拢误差可能会引起桥面调坡，使得桥面铺装厚度不均衡，造成主跨跨中区域铺装过厚，进而影响桥梁的内力和位移。
（5）综合分析
施工误差引起箱梁恒荷载过大及汽车超载等因素导致箱梁预应力度不足，是箱梁下挠的主要原因。实际桥面铺装在主跨跨中区域远远超过了8cm厚设计铺装，由此使主桥主跨跨中内力弯距和挠度显著增大，由此可引起跨中下缘混凝土开裂。混凝土的开裂使得开裂区预应力损失增大，而预应力损失引起的应力重分布会增加混凝土的收缩徐变效应，收缩徐变引起的下挠又会进一步加剧混凝土的开裂。这样，桥面铺装在主跨跨中超厚就会引起开裂、预应力损失、徐变之间的耦合作用，使得主桥中跨跨中区域的挠度不断增长。
4加固改造方案研究
（1）斜拉桥加固方案：利用左右幅桥之间的中央分隔带，在主墩处增设“H”形桥塔，并设置斜拉索，以改善主梁的应力状况和控制主跨跨中截面的挠度。
斜拉桥加固示意图
但该方案存在的问题：减少了现有的桥下通航净空，对通航、海事安全有一定影响；主梁上锚固点的设置比较困难；施工工艺较复杂，工程造价昂贵。
（2）减载
采用的减载措施如下：
① 将主跨跨中范围内的钢筋砼防撞栏换成钢护栏，以减轻护栏的荷载；
② 重新调坡，尽量减少铺装层的厚度，特别是主跨跨中范围的沥青铺装；
③ 采用轻质混凝土，减轻二恒重量。
④ 清除原施工遗留的浮浆，施工垃圾等，尽量减轻自重。
为了考察各种措施对减轻主梁病害的具体贡献，下面对各项措施产生的效应进行比较。
各项措施下产生的截面法向应力效应及控制点位移
“+”:表示应力增加或位移上拱；“-”:表示应力减少或位移下挠。
根据计算结果：减载措施是有效的；如能大幅减少主跨跨中铺装层厚度，即效果最好。各项减载措施都对主跨跨中的应力和位移控制有利，但也使边跨合拢段上缘产生了一定的拉应力。
3．施加体外预应力
主跨跨中采用两束直线底板长束和两束底板曲线束。
体外预应力加固布束方案立面图
箱内体外预应力能有效地提高主跨跨中截面下缘的压应力。钢束布置在箱内，不影响桥梁整体美观，能有效提高主梁的抗裂性；且施工方便、简单，可实施性强，工程造价较低；但对主梁跨中挠度改善效果不明显。
(三)加固改造方案选用及加固效果分析
通过对加固改造方案的研究分析，减载措施能明显改善主跨下挠，而箱内体外预应力能有效地提高主跨跨中截面下缘的压应力；推荐采用轻质混凝土置换桥面系与体外预应力相结合的加固改造方案。
汾江大桥主桥加固改造主要计算结果
按推荐加固改造方案，汾江大桥主桥抗力、抗裂性能满足设计规范要求；主跨跨中最大竖向位移比加固前上拱5.01cm，达到了预期目的。
5主要结论
本文提出采用轻质混凝土置换桥面系与体外预应力相结合的加固改造方案，计算结果表明，经加固改造以后，主桥抗力、抗裂性能满足85桥规要求，减载措施对主跨跨中的挠度有明显的改善。
