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摘要: 随着我国经济快速的发展,公路网已基本形成,但部分桥梁抗震性能不良、承载力不足,影响其安全性和使用功能,需采用加固措施提高承载力以适应交通需要，旧桥加固将是桥梁工程界一个非常迫切的任务。体外预应力是一种有效的桥梁加固方法,简单易行,不影响行车,受力途径明确,能显著提高结构承载力和抗裂度,有效改善结构的应力状态。本文结合工程实际，分析体外预应力加固技术在桥梁中的施工方法及关键技术,供大家参考。
关键词:桥梁；体外索加固；设计施工；
1体外索加固桥梁设计方法
1.1 理论
为了满足加固后旧桥承载力的需要,体外索一般采用折线形,同时满足梁正截面抗弯强度和抗剪强度的要求. 体外索材料一般由无粘结钢绞线、粗钢筋与槽钢组合而成. 体外索布置(如图1 )所示.体外索加固桥梁受弯构件时,可按偏心构件验算梁的承载力;按无粘结部分预应力混凝土结构,认为截面受弯破坏时,梁内的非预应力钢筋达到屈服,而预应力钢筋达不到极限强度,验算使用阶段的应力及结构的变形;按加劲梁组合结构分别对其受力和使用性能进行分析. 在正使用极限状态的各项指标计算时,按整体变形协调条件计算在外载作用下预应力筋的应力增量。
图1 体外索布置图
1.2 钢筋混凝土梁加固后抗弯强度验算
按公路桥规范的允许应力计算法,验算在使用荷载作用下的正截面强度.
以T型梁为例,截面内力及应力分布如图2 所示,平衡方程为
1/2bxσc+1/2(bi-b)hi2x-hi/xσc-Asσs-Apσp= 0(1)
1/3bx2σc+3x-2hi/6x(bi-b)hi2σc+As σs(hi-x)+Apσp(hp-x)=0 (2)
σc= σs/n x/hs-x(3)
式中，符号意义同桥梁规范. 联立式(1) ～ (3) ,采用牛顿迭代法求出σc ,σs ,若满足σc ≤[σc ] ,σs ≤[σs ] ,则加固后体系正截面强度满足要求,否则,重新进行配筋设计.
图2 截面内力及应力分布
2桥梁加固设计实例
某大桥为平均跨距L 为13m 的钢筋混凝土T型梁桥,原设计荷载为汽-10 级、拖-60. 由于船体的撞击,下缘混凝土破损,部分混凝土脱落,已出现纵向贯通裂缝,主钢筋已严重锈蚀. 加固时,首先凿除松散混凝土,用钢丝刷清锈处理,采用挂模浇筑C40 混凝土修补完整,然后施加体外预应力加固. 加固后桥梁承载能力要求提高到汽15级。
T 型主梁翼缘宽178 cm ,翼缘厚12 cm ,梁肋宽18 cm ,受拉Ⅱ级,钢筋面积为44.27² cm , 采用C25混凝土,体外索布置如图1 所示,支点距转向块L3为180 cm ,转向块的间距L2 为840 cm ,端锚固点距转向块L1 为150 cm , 中心轴距梁上边缘y0u 为19.14 cm , 中心轴距梁下边缘y0d 为60.86 cm , h1 为端锚固点至中心轴距离, h2 为转向块至中心轴距离.每片T 型梁配置4根无粘结预应力钢绞线,共16 根. 为了使每片梁受力均匀,采用两端分2 次张拉,固定端与张拉端交叉布置.预应力钢绞线的张拉控制应力为855MPa ,有效预应力为62215Mpa。
加固后桥梁, 采用前轴为55 kN、后轴为155kN ,两辆载重汽车进行现场荷载试验,现场测试布置见图3、图4. 对主梁跨中挠度、钢筋和混凝土的应力进行分析,并确认其加固效果. 部分实测结果见表1 ～ 表3.
图3 测点纵向布置图(单位:cm)
图4 跨中横向测点布置图(单位:cm)
由表1数据表明主梁跨中挠度为5.43mm,满足桥梁规范要求静活载挠度不超过(1/ 600) L 的要求,校验系数η满足0.6～0.9旧桥鉴定的要求. 结构具有足够的抗弯刚度,达到汽-15 荷载标准作用的使用要求。
表1 主梁跨中挢度比较
表2 加固前后混凝土应力比较MPa
表中,σL 为汽车荷载产生的应力;σp 为预应力产生的应力;σ为总应力.
由表2、表3 数据表明:施加预应力,使主梁的上边缘混凝土产生拉应力和下边缘混凝土产生压应力,则上边缘混凝土总压应力值与下边缘混凝土总拉应力值都减小. 钢筋的校验系数满足0.4 ～0.8 旧桥鉴定的要求. 采用体外预应力加固后,从加固前汽-10 级荷载提高到加固后汽-15 级荷载标准,加固效果是非常显著。
表3钢筋实测应力与理论计算值的比较
荷载试验表明:在汽-15 荷载标准作用下,加固后桥梁的抗弯承载能力系数为1.51 ,达到加固要求,该加固方法是可行的。
3施工过程
3.1 钻孔与碳纤维粘贴
在T 型梁的腹板钻孔洞时,避开梁中受力钢筋. 洞口周围粘贴了30 cm ×30 cm 碳纤维,以增强混凝土的局部抗压能力。
3.2 穿索与预应力张拉
首先对每根无粘结钢绞线贴上编号标签,逐根将钢绞線穿入钢栓孔洞中,并调整至最佳位置.然后安装锚杯和夹片外螺母,将千斤顶和张拉配件安装就位,最后进行预应力张拉。
张拉程序:0 →10 %σcon (读初始伸长值并作张拉程序:0 →10 %σ(测量伸长值l3作记录）→σcon (测量伸长值l3 并作记录) →卸荷至零. 采用一端张拉法对钢绞线在梁两侧各一根进行对称张拉. 张拉时,采用张拉力和预应力筋伸长量双重控制. 张拉过程中,跟踪观测每片主梁的跨中挠度和裂缝闭合情况,挠度记录见表4.
表4 主梁跨中挠度mm
张拉过程采用以张拉力控制为主,伸长值校验的方法. 初应力时量取千斤顶活塞的伸长量l1 张拉达20 %σcon 时再量取千斤顶活塞的伸长量l2 ,二者之差为钢索的实际推算伸长量. 张拉应力达100 %σcon ,再量取千斤顶活塞的伸长量l3 , l3 与l1之差为钢索的实际张拉伸长量. 实际张拉伸长量与实际推算伸长量之差,与理论伸长相比误差不超过+ 10 % , - 5 %. 预应力张拉记录见表5.
表5 预应力张拉
注：梁1#1为1#梁张拉第一根预应力钢绞线,其他以此类推.预应力张拉的理论伸长量计算按规范要求进行,采用平均张拉应力法即
式中, Fp 为平均张拉力;L ,Ap , Ep 分别为预应力钢绞线计算长度、面积和弹性模量单根钢绞线的张拉力分别为120 kN(2 片中梁) 、100 kN(2 片边梁) ;初应力取张拉力的10 % ,即分别为12 kN ,10 kN.由表4、表5 数据可以看出,张拉时,跨中向上挠度实测值与理论计算值吻合较好,说明理论计算的正确和施工质量的可靠。
4施工总结
4.1 防松套
本加固工程体外预应力索锚固体系中采用的是单孔夹片式锚具, 设计控制索力为100 kN ,120kN ,属于较小的张拉吨位. 由于桥梁长期承受较大振动荷载,疲劳作用会引起锚具中的夹片放松,甚至导致锚具失锚. 为防止此类事故发生,本工程采用了夹片防松装置———防松套. 同时,在防松套与锚具夹片之间放置弹簧垫圈,使防松套对三夹片均匀施力,并起减振作用。
4.2 钢销栓和转向块
钢销栓和转向块是本次加固工程中的最关键构件之一,转向块装置如图5 所示.
转向块设计与施工必须符合以下要求:
1) 满足张锚体系锚固及传力的功能要求转向块由钢板焊接而成,保证有效传递预应力.
2) 结构混凝土局部承压承载能力对体外索实施预应力张拉后,在索力作用下,销栓对混凝土孔壁具有拉索方向的挤压力,销栓的尺寸要与混凝土洞口尺寸、混凝土强度等级相符合,以满足混凝土的局部承压要求。
图5 转向块装置(单位:cm)
3) 锚下栓体钢材的局部承压承载能力在索力作用下,锚具的锚环将对钢栓产生挤压力,应在锚下栓体表面加工合理的平面,此平面既要保证锚具稳定受力,又要保证与体外索垂直。
4) 销栓应有足够的抗弯、抗剪承载能力和抗变形能力其剪切变形和弯曲变形尽量小,确保锚环安装牢固后能够与预应力索的索力方向相协调。
4.3 张锚体系的保护
选用无粘结钢绞线作为体外预应力索,外裹油脂和塑料护套可起到保护预应力索的作用,具有一定的耐久性. 张锚体系两端的锚具和防松套采用玻璃丝布缠包油脂的方法加以保护。
5结束
1) 综上所述，体外索加固法是在使用过程中,具有加固、卸载及减小结构内力的作用,值得推广应用。
2) 体外预应力加固法，加固后能达到荷载标准,。加固效果是非常显著。
3) 体外索加固法有效改善了主梁在正常使用阶段的工作性能,裂缝宽度变窄,挠度明显减小,增强了结构的耐久性。
注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看
关键词:桥梁；体外索加固；设计施工；
1体外索加固桥梁设计方法
1.1 理论
为了满足加固后旧桥承载力的需要,体外索一般采用折线形,同时满足梁正截面抗弯强度和抗剪强度的要求. 体外索材料一般由无粘结钢绞线、粗钢筋与槽钢组合而成. 体外索布置(如图1 )所示.体外索加固桥梁受弯构件时,可按偏心构件验算梁的承载力;按无粘结部分预应力混凝土结构,认为截面受弯破坏时,梁内的非预应力钢筋达到屈服,而预应力钢筋达不到极限强度,验算使用阶段的应力及结构的变形;按加劲梁组合结构分别对其受力和使用性能进行分析. 在正使用极限状态的各项指标计算时,按整体变形协调条件计算在外载作用下预应力筋的应力增量。
图1 体外索布置图
1.2 钢筋混凝土梁加固后抗弯强度验算
按公路桥规范的允许应力计算法,验算在使用荷载作用下的正截面强度.
以T型梁为例,截面内力及应力分布如图2 所示,平衡方程为
1/2bxσc+1/2(bi-b)hi2x-hi/xσc-Asσs-Apσp= 0(1)
1/3bx2σc+3x-2hi/6x(bi-b)hi2σc+As σs(hi-x)+Apσp(hp-x)=0 (2)
σc= σs/n x/hs-x(3)
式中，符号意义同桥梁规范. 联立式(1) ～ (3) ,采用牛顿迭代法求出σc ,σs ,若满足σc ≤[σc ] ,σs ≤[σs ] ,则加固后体系正截面强度满足要求,否则,重新进行配筋设计.
图2 截面内力及应力分布
2桥梁加固设计实例
某大桥为平均跨距L 为13m 的钢筋混凝土T型梁桥,原设计荷载为汽-10 级、拖-60. 由于船体的撞击,下缘混凝土破损,部分混凝土脱落,已出现纵向贯通裂缝,主钢筋已严重锈蚀. 加固时,首先凿除松散混凝土,用钢丝刷清锈处理,采用挂模浇筑C40 混凝土修补完整,然后施加体外预应力加固. 加固后桥梁承载能力要求提高到汽15级。
T 型主梁翼缘宽178 cm ,翼缘厚12 cm ,梁肋宽18 cm ,受拉Ⅱ级,钢筋面积为44.27² cm , 采用C25混凝土,体外索布置如图1 所示,支点距转向块L3为180 cm ,转向块的间距L2 为840 cm ,端锚固点距转向块L1 为150 cm , 中心轴距梁上边缘y0u 为19.14 cm , 中心轴距梁下边缘y0d 为60.86 cm , h1 为端锚固点至中心轴距离, h2 为转向块至中心轴距离.每片T 型梁配置4根无粘结预应力钢绞线,共16 根. 为了使每片梁受力均匀,采用两端分2 次张拉,固定端与张拉端交叉布置.预应力钢绞线的张拉控制应力为855MPa ,有效预应力为62215Mpa。
加固后桥梁, 采用前轴为55 kN、后轴为155kN ,两辆载重汽车进行现场荷载试验,现场测试布置见图3、图4. 对主梁跨中挠度、钢筋和混凝土的应力进行分析,并确认其加固效果. 部分实测结果见表1 ～ 表3.
图3 测点纵向布置图(单位:cm)
图4 跨中横向测点布置图(单位:cm)
由表1数据表明主梁跨中挠度为5.43mm,满足桥梁规范要求静活载挠度不超过(1/ 600) L 的要求,校验系数η满足0.6～0.9旧桥鉴定的要求. 结构具有足够的抗弯刚度,达到汽-15 荷载标准作用的使用要求。
表1 主梁跨中挢度比较
表2 加固前后混凝土应力比较MPa
表中,σL 为汽车荷载产生的应力;σp 为预应力产生的应力;σ为总应力.
由表2、表3 数据表明:施加预应力,使主梁的上边缘混凝土产生拉应力和下边缘混凝土产生压应力,则上边缘混凝土总压应力值与下边缘混凝土总拉应力值都减小. 钢筋的校验系数满足0.4 ～0.8 旧桥鉴定的要求. 采用体外预应力加固后,从加固前汽-10 级荷载提高到加固后汽-15 级荷载标准,加固效果是非常显著。
表3钢筋实测应力与理论计算值的比较
荷载试验表明:在汽-15 荷载标准作用下,加固后桥梁的抗弯承载能力系数为1.51 ,达到加固要求,该加固方法是可行的。
3施工过程
3.1 钻孔与碳纤维粘贴
在T 型梁的腹板钻孔洞时,避开梁中受力钢筋. 洞口周围粘贴了30 cm ×30 cm 碳纤维,以增强混凝土的局部抗压能力。
3.2 穿索与预应力张拉
首先对每根无粘结钢绞线贴上编号标签,逐根将钢绞線穿入钢栓孔洞中,并调整至最佳位置.然后安装锚杯和夹片外螺母,将千斤顶和张拉配件安装就位,最后进行预应力张拉。
张拉程序:0 →10 %σcon (读初始伸长值并作张拉程序:0 →10 %σ(测量伸长值l3作记录）→σcon (测量伸长值l3 并作记录) →卸荷至零. 采用一端张拉法对钢绞线在梁两侧各一根进行对称张拉. 张拉时,采用张拉力和预应力筋伸长量双重控制. 张拉过程中,跟踪观测每片主梁的跨中挠度和裂缝闭合情况,挠度记录见表4.
表4 主梁跨中挠度mm
张拉过程采用以张拉力控制为主,伸长值校验的方法. 初应力时量取千斤顶活塞的伸长量l1 张拉达20 %σcon 时再量取千斤顶活塞的伸长量l2 ,二者之差为钢索的实际推算伸长量. 张拉应力达100 %σcon ,再量取千斤顶活塞的伸长量l3 , l3 与l1之差为钢索的实际张拉伸长量. 实际张拉伸长量与实际推算伸长量之差,与理论伸长相比误差不超过+ 10 % , - 5 %. 预应力张拉记录见表5.
表5 预应力张拉
注：梁1#1为1#梁张拉第一根预应力钢绞线,其他以此类推.预应力张拉的理论伸长量计算按规范要求进行,采用平均张拉应力法即
式中, Fp 为平均张拉力;L ,Ap , Ep 分别为预应力钢绞线计算长度、面积和弹性模量单根钢绞线的张拉力分别为120 kN(2 片中梁) 、100 kN(2 片边梁) ;初应力取张拉力的10 % ,即分别为12 kN ,10 kN.由表4、表5 数据可以看出,张拉时,跨中向上挠度实测值与理论计算值吻合较好,说明理论计算的正确和施工质量的可靠。
4施工总结
4.1 防松套
本加固工程体外预应力索锚固体系中采用的是单孔夹片式锚具, 设计控制索力为100 kN ,120kN ,属于较小的张拉吨位. 由于桥梁长期承受较大振动荷载,疲劳作用会引起锚具中的夹片放松,甚至导致锚具失锚. 为防止此类事故发生,本工程采用了夹片防松装置———防松套. 同时,在防松套与锚具夹片之间放置弹簧垫圈,使防松套对三夹片均匀施力,并起减振作用。
4.2 钢销栓和转向块
钢销栓和转向块是本次加固工程中的最关键构件之一,转向块装置如图5 所示.
转向块设计与施工必须符合以下要求:
1) 满足张锚体系锚固及传力的功能要求转向块由钢板焊接而成,保证有效传递预应力.
2) 结构混凝土局部承压承载能力对体外索实施预应力张拉后,在索力作用下,销栓对混凝土孔壁具有拉索方向的挤压力,销栓的尺寸要与混凝土洞口尺寸、混凝土强度等级相符合,以满足混凝土的局部承压要求。
图5 转向块装置(单位:cm)
3) 锚下栓体钢材的局部承压承载能力在索力作用下,锚具的锚环将对钢栓产生挤压力,应在锚下栓体表面加工合理的平面,此平面既要保证锚具稳定受力,又要保证与体外索垂直。
4) 销栓应有足够的抗弯、抗剪承载能力和抗变形能力其剪切变形和弯曲变形尽量小,确保锚环安装牢固后能够与预应力索的索力方向相协调。
4.3 张锚体系的保护
选用无粘结钢绞线作为体外预应力索,外裹油脂和塑料护套可起到保护预应力索的作用,具有一定的耐久性. 张锚体系两端的锚具和防松套采用玻璃丝布缠包油脂的方法加以保护。
5结束
1) 综上所述，体外索加固法是在使用过程中,具有加固、卸载及减小结构内力的作用,值得推广应用。
2) 体外预应力加固法，加固后能达到荷载标准,。加固效果是非常显著。
3) 体外索加固法有效改善了主梁在正常使用阶段的工作性能,裂缝宽度变窄,挠度明显减小,增强了结构的耐久性。
注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看