借外力强内力——体外预应力在丹麦Langeland大桥上的加固应用

位于丹麦东南部的Si岛和Langeland岛之间的Langeland大桥，是一座拥有60年历史的钢筋混凝土桥。在最近的一次检修过程中发现，该桥的箱梁内有钢筋腐蚀现象。在对腐蚀程度进行了分析和结构评估后，丹麦公路局决定实施外部预应力加固工程。

在过去的几十年里，大多数国家的交通都经历了重载和车流量的增加，这也导致许多桥梁的总体状况发生了恶化，包括环境中使用除冰盐等，导致一些桥梁的承载能力下降。因此，有越来越多的桥梁需要加固或更换，以满足未来的交通需求。

对于具有箱梁或梁板式上部结构的桥梁，体外预应力在许多情况下已经被证明是一种经济可行的加固方案，对路面交通和桥梁本身的影响也较小。

Langeland大桥的引桥由20孔简支箱梁桥组成，每孔长度为34米。桥上有两条车道供机动车通行，还有自行车道和行人道。大桥于1962年建成，总长774米。

图1 引桥的横断面图

在最近的一次桥梁检修过程中，发现了张拉钢筋的腐蚀问题。在箱梁底板的某个位置上，腐蚀导致了?32钢筋的断裂。

检查竣工资料发现，尽管波罗的海附近的海水氯化物含量相对较低，但海水被注入到了混凝土砂浆和?32钢筋管道中。这导致结构中的氯化物初始含量很高。此外，多年来，除冰盐渗透到混凝土和伸缩缝中，导致排水管道泄漏，从而进入了箱梁内部。

图2 钢筋被锈蚀断裂

考虑到钢筋面积的减少，因此对结构重新进行了评估。从目前情况来看，腐蚀的程度是 轻微的。然而，预计底板的10根筋在断裂之后会造成桥梁更严重的恶化，为了确保剩余40年的桥梁使用寿命，必须进行加固。评估显示，需要8根张拉力为1.170kN的7C15预应力拉杆钢筋。这些预应力拉杆钢筋安装在引桥所有箱梁的四个箱室每一侧内壁上。目前，已为其余的跨度制定了详细的加固设计方案。

体外预应力增加了引桥上的每孔箱梁的承载能力。最初，该桥分两个阶段建造。1号、3号和5号箱梁是在陆地上预制的，然后运到现场进行拼装浇筑。供行人通行的箱梁翼缘板都是现浇的。但这种施工顺序会对结构的静力体系产生影响，所以在桥梁的有限元模型中也考虑到了这一点。为了得到正确的截面受力和变形，施工过程分为4个阶段进行建模，并考虑了自重、体外预应力的后张力和顶部、底部桥面板的现浇。

该加固项目的目的是使桥梁恢复到原来的承载能力。假设未来，桥梁的状况发生恶化，导致底板上将会失去更多的钢筋，在理想状态下，底板上失去的所有钢筋都应该被替换成新的体外预应力筋。但由于这座桥是上个世纪60年代设计的，这成为不可能实现的愿望。假设所有的钢筋都是完整的，增加额外的张拉力可能会导致在顶板上产生裂缝。对箱室内壁的加固也是十分必要的。最后，更大的预应力张拉力需要更大的锚具，这样也会减少内部留给小型检修车能够通行的空间。

2020年，在开展的一个试点项目上试验了两种解决方案，分别用钢和钢筋混凝土锚块进行体外预应力的固定。

试验工程的目的是为了获得在梁体内部的狭窄空间内进行加固的可行性数据。但每个箱室的尺寸仅为1.4米×1.4米，实际操作起来很有挑战性，而且工人的健康和安全问题也非常重要。

由于这两种方案各有优缺点，因此大桥的管理方决定通过招标的形式，在项目文件中必须包含这两种解决方案。然后，承包商可以决定采用最适合的方案。当招标结果出来后，有两家承包商选择用钢锚，3家承包商选择钢筋混凝土锚块作为首选方案。因此，决定在剩余19个跨度的箱梁内用钢筋混凝土锚块进行加固。

在试点工程开始加固前，已经安装了一套主动的结构连续监测系统。监测结果被细分为 作为参考阶段的加固前、加固期间和加固后三个阶段。其目的一是根据测量结果验证和(如有需要)修正有限元模型；二是为加固工程的设计和有限元模型的建模提供依据。使用主动的结构连续监测系统的原因是为了能够识别非常细小的变化，这些变化通常会被定时的离散监测所忽略。该试点项目部署的监测装置包括自动全站仪和棱镜来测量位移，倾斜仪来测量倾角，加速度仪来确定结构的固有频率和结构的动态运动。对温度和湿度也进行了测量，以消除由加固产生的实际结构行为中受到的环境影响。

监测活动确定了有限元模型需要计算的结构动力行为，包括固有频率、交通引起的挠度和由于加固而产生的上拱。由于其强度与环境引起的运动相当，因此需要持续监测，才能准确捕捉到上拱的情况。温度和太阳辐射使箱梁断面产生上拱，如果不对这种拱度进行测算，将无法检测到加固的真正效果。监测发现，由于太阳辐射，每天有高达7毫米的拱度变化，在项目开始和结束期间，由于温度的增加，额外产生了4.5毫米的拱度值。经过计算，加固后的拱度为7毫米。因此，在温度和阳光影响最小的夜间捕捉这一数据是很困难的。根据加固前后截面位置的时间离散读数显示，与连续监测的结果相比，有更多的上拱和一些扭曲。

根据试点项目的结果制订了一个大桥主体工程的监测方案。其中包括剩余引桥部分的加固监测计划。对主体工程的监测将集中在加固工程前后，在最短的时间内，捕捉加固工程引起的梁体上拱，以消除环境引起的运动效应。为此，将部署自动全站仪和棱镜。此外，为了限制监测期的范围，将在桥上进行活载测试，以捕捉在受控环境下的交通引起的挠度。而且，由于已经进行的测量活动显示，环境对固有频率没有影响，所以只在加固工程前后进行一次动态测量。

采用体外预应力加固Langeland大桥，是延长其使用寿命的一种具有成本效益的方法，既适用于使用极限状态，又适用于极限状态。通过引入结构监测，表明采用有限元法分析计算由体外预应力导致的中跨范围内的上拱，与现场测量得到的张拉后的拱度值非常接近。

大桥的使用寿命延长约40年，节省了大量资金。由于新桥的建设被推迟，在更换之前的这50年时间里也将显著减少碳足迹。加固工程的碳足迹尚未详细计算，但据预估，由于钢筋和混凝土的数量较少，且不需要重型施工设备，其碳足迹不到新桥建设的5%。

与加固相关的另一个重要优势是，在实施过程中对桥梁交通的影响有限。丹麦公路局在考虑未来的维修或更换策略时，总会考虑与道路使用者有关的成本。就目前的加固项目而言，造成道路使用者不便的成本是非常有限的，因为只需要短时间内关闭一条车道。

关于未来的运营和维护，整个项目的重点是限制锚块的宽度，以允许在维养期间使用的小型检修车可以通过。