浅谈旧桥体外预应力加固技术

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  【摘 要】 随着社会经济的蓬勃发展,我国桥梁技术也逐渐进步着。然而,挑战也随之出现,在新建桥梁技术迅速发展、各种新式桥梁如雨后春笋般不断从地面矗立起来的今天,有一批年代久远的旧桥正面临着各种裂缝加剧、承载力降低等问题。顺应着低碳式发展经济的潮流,在旧式桥梁拆除重建费用高的情况下,我国加强了对桥梁加固改造技术的研究与开发。为了保证交通畅通,运行便捷,体外预应力加固技术作为结构加固最有效的手段之一应运而生,目前正广泛地应用于旧桥加固方面。本文主要阐述体外预应力技术的工程特性、加固原理、组成构件和在工程中具体应用的工艺技术及控制要点。
  【关键词】 体外预应力;桥梁加固;索体张拉
  1、前言
  体外预应力结构的概念最早产生于法国,体外预应力体系是后张预应力体系的重要分支之一,是指对布置于承载桥梁结构本体之外的钢束张拉而产生预应力的结构体系。体外预应力技术在旧桥加固中主要用于梁式桥,能够达到减少或消除裂缝,减小梁体下挠,改善结构各个截面的应力状态,提高构件的抗弯和抗剪能力,是一种主动加固方式。
  2、体外预应力的工程特性
  体外预应力结构相对于传统的内置预应力结构而言,其在工程应用中存在显著的优势,但也略有不足:
  2.1体外预应力结构优点
  (1)体外预应力结构,顾名思义其与原结构粘结少,只在锚固端相连,故应力变化值小,减少摩阻损失,提高预应力使用效率,对结构受力有利;
  (2)预应力布置灵活,体外索可以随时更换和调整,便于试用期间的维护修补,根据桥梁病害程度可以选择全桥加固也可以进行局部加固;
  (3)体外预应力的錨固构件小,自重增加少,能调节原结构的应力状态,调高旧桥的承载能力和结构刚度,并有效的控制原结构的裂缝和挠度;
  (4)体外预应力结构应用范围较传统的内置预应力结构广,可应用于新建结构,也可用于旧结构的加固;可以应用于中小跨度的简支梁体系,亦可用于大跨度的连续梁体系;
  (5)体外预应力筋套管布置简单,调整容易,简化了后张法的操作程序,大大缩短了施工时间,对于桥面上的交通影响较小。
  2.2体外预应力结构存在的不足
  (1)体外预应力结构的体外索布置在截面以外,容易发生索体被腐蚀的情况,防腐防锈相对较难,容易受到外界因素的影响;
  (2)由于体外预应力结构与原结构只在锚固端或转向区域相连,故此相连区域容易产生应力集中,局部应力较大,对于锚具和夹片的要求就比较高,对于锚固施工的要求也就相应增加;
  (3)体外预应力筋和原结构混凝土的工程特性相差大,两者在受到荷载时对应的形变不一致,容易造成预应力损失。
  3、体外预应力的加固原理和组成构件
  3.1体外预应力加固的原理
  体外预应力加固通常采用粗钢筋、钢绞线、高强钢丝等材料作为施力工具(预应力索体),置于结构构件之外,并对此体外预应力索体施加预应力,用以达到提高构件承载能力的一种加固方法。
  采用体外预应力加固法对旧桥桥梁进行承载能力加固时,预应力索体多采用折线形连续筋,在梁中间部分布置在腹板两侧并靠近梁底,在距梁端一定距离处向上弯起,形成一个由被加固构件与下撑式拉索组成的复合超静定结构体系。体外预应力加固后梁截面内力与原结构截面内力发生变化,体外预应力加固梁在加载初期随着荷载的增加,梁的挠度增加很小,随着荷载不断增大,预应力通过拉筋与梁连接的锚固点和支撑点反作用传递给梁体,在预应力产生的等效反力作用下,梁正截面受压,受工作状态便成压弯构件,同时产生与外荷载方向相反的弯矩,使原梁内受拉钢筋应力减小。
  3.2体外预应力结构的组成构件
  体外预应力体系由固定锚具、体外索、锚固块及转向块、减振装置四大构件组成。
  体外预应力体系只靠锚固端与梁体作用,锚固端应力比较集中,因此体外预应力锚固体系的安全性和可靠性比传统内置预应力锚固体系要高,需要使用专用的体外工作夹片、工作锚板、锚垫板等,且用于体外预应力体系中的锚具尺寸、厚度都较一般锚具大,在配有保护罩、放松装置、热缩套、密封装置等辅助设备。
  锚具连接的体外索是产生预应力的主要构件,一般有高强钢丝、粗钢筋、钢绞线等几种材料类型,其中还分成有粘结预应力筋和无粘结预应力筋两种。无粘结预应力筋是包裹上PE套的预应力钢绞线,填充防腐油脂,不需要灌浆作业即可进行张拉;有粘结预应力筋是预应力束通过管套进行张拉后在孔道中压浆,将其包裹在里面。
  在体外预应力体系中,体外预应力结构在旧桥加固中往往呈折线状布置,转向块在其中扮演着不可缺少的角色。转向块的作用是传递并改变体外束产生的预应力在梁体上的作用方向,调整体外束偏心距,体外束通过折角点产生集中荷载,这个荷载通过转向块安全地传递至桥梁梁体中。转向块一般分为横隔板式、肋板式、鞍座式,其位置分布是根据梁体的受力情况而定。通过合理布置转向块调整体外预应力筋线形,可改变结构抗弯、抗剪性能,使之受力更好。
  体外预应力结构在桥梁受到荷载产生振动时,体外束也会在随之产生振动。在转向块之间自由度比较大的位置,体外束更容易与桥梁产生共振,由此降低了体外预应力结构产生的预应力效果。减振装置的目的就是减少体外束在动荷载作用下的振动。
  4、旧桥体外预应力加固施工工艺及控制要点
  运用体外预应力体系加固旧桥梁的施工工艺以实例分析呈现:位于浙江省金丽温高速丽青段(西起丽水西互通,东至青田东互通)的海口~戈溪外沿江桥桥梁形式是连续预应力混凝土组合箱梁。海口~戈溪外沿江桥出现的主要病害是组合箱梁底板和腹板出现纵向裂缝(最大宽度0.35mm),大量横隔板出现竖向和斜向裂缝,部分组合箱梁跨中区域腹板出现竖向、斜向裂缝(最大裂缝宽度0.35mm)。其中的部分腹板竖向裂缝数量和宽度较先前定期检测对比有一定的发展,此类裂缝主要由预应力损失、腹板厚度尺寸差异所致,此类裂缝为受力裂缝,对组合箱梁的承载能力和正常使用影响较大。根据组合箱梁病害的严重程度,结合理论计算,海口~戈溪外沿江桥的加固措施是对裂缝较多且发展较快的组合箱梁在腹板两侧布设共4束3Φs15.2的体外预应力钢绞线束加固,增加组合箱梁压应力储备,提高其刚度。新增锚固块采用C50混凝土;转向架、减震装置采用特制钢构件;体外预应力索采用镀锌或环氧涂敷无粘结钢绞线,采用专用可更换的体外预应力锚具。海口~戈溪外沿江桥其余箱梁底板横向裂缝、腹板斜向裂缝属于典型的受力裂缝,是由于有效预应力损失、偏载和温度梯度共同作用下导致,也是采用全桥增设体外预应力加固方式,在连续箱梁腹板相应位置浇筑锚固块,两侧布设共4束12Φs115.2的体外预应力钢绞线束。海口~戈溪外沿江桥此次加固工程主要以增设体外预应力加固法为主,另辅以裂缝封闭、粘贴钢板等措施。   4.1体外预应力结构增设主要施工工艺
  4.1.1新旧混凝土结合面处理
  海口~戈溪外沿江桥连续箱梁腹板外侧要增设新浇筑混凝土作为体外预应力锚固齿板,并在箱梁腹板及翼板凿出14x15的剪力槽。为保持良好的界面结合,使新老混凝土共同参与受力,原混凝土表面应做凿毛处理,露出粗骨料;用钢丝刷清除表面疏松颗粒,先用无油压缩空气吹净粉尘,并用水冲洗干净;在混凝土腹板和底板凿出剪力槽,先探明原结构钢筋位置,避免对原结构及钢筋造成损失;施工前充分湿润原混凝土表面,但在喷涂界面剂时必须保持混凝土表面处于饱和面干状态;调制满足设计要求的界面剂;原混凝土表面喷涂一层界面剂,厚度在1-2mm,尽力喷涂均匀;在截面出初凝前浇筑新混凝土;加强新浇筑混凝土的养护,养护方式同常规混凝土养护。
  4.1.2植入锚杆、浇筑新增齿板和腹板
  锚固齿块施工第一步放样,根据实际探明的原钢筋、预应力束在新增齿板的位置,按加固施工图纸所给出的齿板位置及尺寸进行平面放样;在做新增齿板及腹板的位置用冲击钻钻孔,用压缩空气清除孔内浮尘,将硬质排气管插入孔底,然后拔1~2cm,保持孔内干净和干燥;在箱梁混凝土上用化学药剂包植入直径为12的钢筋和M16、M12的螺杆,植入深度为20cm,待胶液固化后,焊接、绑扎钢筋,形成骨架网,然后按施工图位置布设预应力管道,采用直径为114的钢管;预应力管道布置好,骨架成形后开始浇筑混凝土,新城新增齿板及腹板,混凝土采用C50,按设计要求配合比浇筑,确保混凝土的各项指标满足要求,浇筑时采用附着式振捣器进行振捣,特别是新增齿板及腹板、顶板及腹板的连接处及预应力锚固区要加强振捣,避免空洞及峰窝麻面的发生;最后进行新筑齿板及腹板的混凝土养护,采用覆盖麻袋和洒水的方式,等混凝土强度达到85%以上,方可进行张拉。
  4.1.3转向块的安装
  海口~戈溪外沿江桥体外预应力体系转向块采用钢转向块,由加工厂按照设计图纸对Q345镀锌钢板进行加工焊接成型,所有钢板焊接均采用I级焊接,并进行防腐涂装处理。
  转向块锚固构件在安装前先用钢筋探测仪探测主梁分布钢筋位置,并在箱梁上放样;对照施工图纸,也对原桥梁内置预应力钢筋在箱梁上放样;放样完毕后,按照锚固钢构件图纸,锚栓布置图试钻孔,钻孔中与原内置预应力筋有干扰时,稍作调整,在孔位合适后,用塑料板或木板对钢板钻孔位置放样,并对之到钢板构件底板上打孔,在孔位打入M12自切式扩孔型锚栓,并拧下螺帽和抗剪套筒,之后进行钢板试放样,如能有效与锚栓连接,则直接安装抗剪套筒和螺帽,此时预紧不拧紧螺帽;用锚栓将转向块钢板锚固于箱梁腹板上,底部锚固与箱梁底板底面,钢板与主梁体间采用灌注粘贴法进行连接,转向块钢管两端头内壁应进行磨圆处理,避免钢管壁毛刺损伤预应力钢绞线,单跨共16个转向块。全部安装完后,清理转向器与外套钢管之间的杂物,清洁处理完毕后,安装加工好的橡胶圈,并用弹性良好的橡胶圈及四氟板把转向器与外套管之间的两端空隙塞满,同时,调节转向块位置,确保其与设计曲线位置相符。
  4.1.4穿布预应力钢束
  钢绞线束在张拉中留有充足的工作长度,在订购时想生产商家提供下料长度进行生产。钢绞线进场后,应先检查每捆钢绞线有无不均匀初应力以及按规定对钢绞线抽检强度、弹性模量、截面积、延伸量和硬度等,如符合要求则应放置在材料堆场,下面用木方做垫层,铺垫彩条布,上面使用彩条布遮盖,以免被雨水侵蚀,影响预应力效果。
  由于环氧涂料层填充型钢绞线具有优良的防腐性能,其外层为有机材料环氧树脂包覆,在施工时,需制作放线器放线。海口~戈溪外沿江桥预应力筋采用连续双折线型布置。钢绞线通过桥面开孔,穿布到桥下,考虑张拉时两端延伸量的不均匀性,对钢绞线两端分别剥除一定的长度的PE护套,并清洗钢绞线外层的润滑油。采取单根人工穿布,对每根钢绞线两端分别编号。在钢绞线穿布过程中,桥面开孔处包裹一层麻袋,以免划伤到钢绞线,钢绞线两端编号必须对应,防止钢绞线相互缠绕,在箱内架空钢绞线,避免与箱梁底板直接摩擦。最后,按加固设计要求安装张拉端部锚固钢板。张拉前安装夹片并再次仔细检查钢绞线有无损失,张拉准备充分。
  4.1.5钢绞线张拉施工
  待新增齿板混凝土龄期到达强度达85%以上及预应力束穿布就位后,即可进行钢绞线张拉,张拉前先用千斤顶从两端对预应力钢束进行松动张拉,以确保钢绞线在管道内平行顺直且能自由滑动。张拉方式同类型束采用左右對称、两端同时张拉,为保证左右两书钢绞线张拉同步,每束钢绞线分两级张拉:初张拉(张拉力等于0.15倍设计张拉力)—回油归零(作为延伸量的起测点)—张拉并维持0.5设计吨位—持荷5分钟—张拉并维持0.8设计吨位—持荷5分钟—张拉并维持设计吨位—持荷5分钟—量测延伸量—回油—量测延伸量。
  钢绞线张拉前标定好千斤顶与油泵,并计算张拉时每级张拉力对应的油表读数,并粘贴于对应油表处,张拉时千斤顶与油表要对应。预应力采用延伸量与张拉力双控,以张拉力为主,张拉力控制应力σ=0.6fpk=1116MPa,张拉控制力为187.5t。张拉后立即进行检查有无滑丝与断丝发生。张拉引伸量误差应控制在±6%范围内,每次张拉时做好原始数据的记录工作。
  4.1.6减震装置及端部防腐处理
  根据张拉好的预应力束的位置,结合理论点的位置确定限位装置在箱梁腹板上的安装位置,然后将减振装置固定好,海口~戈溪外沿江桥设计为单跨8个减振装置。
  体外预应力体系张体安装完毕后,应在结构两端进行防腐处理,以免影响体外预应力对桥梁的预应力作用。调索力完毕后根据更换钢绞线的预留长度(实际预留长度应大于500mm)切断钢绞线。将锚具保护罩安装就位,保护罩上的出气口作为油脂的出油口。在安装保护罩前先在锚具外表面涂抹防腐油脂一层,解决灌油时锚具上端油脂不到位的现象。当油脂从出气口溢出时,表明锚罩内的油脂已经灌满,密封出油口。最后在保护罩上涂装防锈油漆两道。
  4.2体外预应力施工中的控制要点
  体外预应力体系中,应力最集中处即锚固端和转向块设置处,原桥梁混凝土的强度是施工过程中重要的控制点。在海口~戈溪外沿江桥体外预应力体系中,有箱梁腹板新增混凝土作为锚固混凝土,然而,锚固端的集中应力还是通过新增混凝土作用到原混凝土结构中。因此,为了使新旧混凝土能有效结合,在原箱梁腹板上凿除了剪力槽来加强两者的粘结力。在转向块与箱梁腹板连接处则是用Q345镀锌钢板分别通过腹板锚固和底板锚固来增加梁体与转向块之间的面积,使应力能尽量分散。此外,在预应力体系中,钢绞线的保护液尤为重要。海口~戈溪外沿江桥项目中,预应力索体采用环氧喷涂无粘结钢绞线,此预应力索由单丝涂覆环氧层、专用防腐油脂、热挤外层PE管及预埋管内灌注防腐材料等各种措施做成的防腐保护层,使预应力体系在长时间内保持良好的状态,长效的作用于桥梁上。
  5、结语
  体外预应力加固旧桥的技术在国内正被广泛地应用。其具有良好的经济效益和社会效益,是一种值得推广应用的结构加固技术。
  参考文献:
  [1]冉承平.探讨体外预应力加固法在路桥加固上的应用.城市建设理论研究[J].2011(21).
  [2]刘晓娜.体外预应力法加固混凝土梁原理及施工工艺.企业家天地[J].2009(8)
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