體外預(yù)應(yīng)力加固梁橋理論及實(shí)例分析

何玲玲 張亞妮

摘要：體外預(yù)應(yīng)力加固梁橋施工簡便，且在基本不增加梁截面高度和自重的條件下，可提高梁抗彎、抗剪承載力和改善其在使用階段的性能。本文通過對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固梁橋理論加以闡述，并通過一個(gè)工程實(shí)例計(jì)算，對(duì)進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固前后梁橋的承載力、撓度及應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：體外預(yù)應(yīng)力 加固理論 梁橋 對(duì)比分析

1.引言

鋼筋混凝土梁式橋通常包括簡支梁、懸臂梁和連續(xù)梁等。當(dāng)其存在結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是其承載力不足或需要提高荷載等級(jí)，既需要對(duì)橋梁主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)，可在梁體外部，即梁底或梁兩側(cè)，設(shè)置鋼筋或鋼筋束，并施加預(yù)應(yīng)力，以改善橋梁的受力狀況，達(dá)到提高橋梁承載能力的目的。

2.體外預(yù)應(yīng)力加固法的適用范圍及特點(diǎn)

（1）適用范圍

體外預(yù)應(yīng)力加固法適用于空心板和箱梁等閉口截面、如T梁或n型梁等帶肋的開口截面、帶剛性腹板（或波紋鋼腹板）的三角形截面和帶將架腹板的箱形截面。體外預(yù)應(yīng)力加固法適用于中小跨徑橋梁，對(duì)于較大跨徑的橋梁，采用本方法加固時(shí)，宜同時(shí)配合其他加固方法進(jìn)行綜合加固，已達(dá)到較好的加固效果。

（2）特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：由于預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的負(fù)彎矩抵消了一部分荷載彎矩，致使梁板的彎矩減小，裂縫寬度縮小甚至完全閉合，能較大幅度提高或恢復(fù)橋梁的承載能力；施工工藝簡單、干擾交通少、所需設(shè)備簡單、人力投入少、工期短、經(jīng)濟(jì)效益明顯；對(duì)原結(jié)構(gòu)損傷小，可以做到不影響橋下凈空、不增加路面標(biāo)高等。

缺點(diǎn)：由于預(yù)應(yīng)力加固梁橋時(shí)預(yù)應(yīng)力筋布置在梁截面外部，易受環(huán)境的影響，需要可靠的防腐設(shè)計(jì)。

3.體外預(yù)應(yīng)力加固法的理論分析

當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力拉桿加固鋼筋混凝土梁橋時(shí)，加固結(jié)構(gòu)性能和受力特征，與后張法無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相似，張拉預(yù)應(yīng)力如同外力一樣作用在原梁上，原梁仍承受著恒載內(nèi)力；張拉預(yù)應(yīng)力筋在原梁上產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力內(nèi)力，基本上與恒載內(nèi)力相反，所以體外預(yù)應(yīng)力實(shí)際起到卸荷作用。

體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：①計(jì)算求出加固構(gòu)件提高荷載等級(jí)前所受荷載及其引起的內(nèi)力，包括恒載和活載內(nèi)力；②計(jì)算提高荷載標(biāo)準(zhǔn)后的活載內(nèi)力，并由恒載和活載的組合來驗(yàn)算加固的必要性；③由以上兩項(xiàng)之差得出內(nèi)力提高值，估算出預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)有的橫截面面積；④計(jì)算和確定預(yù)應(yīng)力筋所必需的張拉力和伸長量；⑤承載力驗(yàn)算；⑥計(jì)算確定施工中控制張拉時(shí)所需要的控制量。

4.實(shí)例分析

4.1工程背景

（1）橋梁病害

該梁橋上部結(jié)構(gòu)為4×40m裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、空心薄壁墩、肋式臺(tái)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

該箱梁橋部分箱梁底板、兩側(cè)腹板部分均不同程度出現(xiàn)橫向和豎向裂縫，裂縫主要分布在箱梁L/4～L3/4范圍內(nèi)，裂縫數(shù)量較多，間隔多為30cm～60cm，大部分裂縫寬度介于0.05～0.2mm之間，少量箱梁跨中底板橫向及腹板豎向裂縫寬度達(dá)到0.3～0.4mm；裂縫為結(jié)構(gòu)受力裂縫，荷載試驗(yàn)加載時(shí)，有非常明顯的開合現(xiàn)象。另外，個(gè)別箱梁中橫隔板混凝土澆筑不密實(shí)，存在大量蜂窩麻面等病害。

試驗(yàn)表明：部分箱梁縱向應(yīng)力及撓度校驗(yàn)系數(shù)已較無病害橋跨下降15%～20%；抗裂性能已經(jīng)不滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）加固情況

針對(duì)該橋梁病害特點(diǎn)，主要由于箱梁底板及腹板開裂且裂縫寬度超限而引起預(yù)應(yīng)力鋼束永存預(yù)應(yīng)力不足所造成的，因此主要采用體外預(yù)應(yīng)力加固法加固該橋，從而改善該橋不利的受力狀態(tài)。

對(duì)于受力裂縫相對(duì)較多的箱梁，在底板下緣安裝鋼結(jié)構(gòu)齒板，張拉3φs15.2環(huán)氧無粘結(jié)鋼絞線4根，直線布束，在箱梁腹板安裝鋼結(jié)構(gòu)齒板及轉(zhuǎn)向塊，張拉3φs15.2環(huán)氧無粘結(jié)鋼絞線2根。

4.2模型建立

該橋結(jié)構(gòu)有限元模型采用Midas/ Civil2010建立。有限元模型包括主梁和支座等邊界條件的模擬，其中，主梁采用梁單元模擬。該橋加固前后模型均使用節(jié)點(diǎn)86個(gè)，單元80個(gè)。有限元模型圖1所示：

圖1有限元模型

4.3加固前后計(jì)算對(duì)比分析

（1）計(jì)算結(jié)果為加固前該橋第二跨跨中截面正截面抵抗彎矩為41468.9KNm，經(jīng)過體外預(yù)應(yīng)力加固后其正截面抵抗彎矩為48787.9 KNm，其承載力提高了17.6%。

（2）在最不利荷載作用下，按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合，主梁主要截面加固前的應(yīng)力和撓度對(duì)比見表1。

表1主梁主要截面加固前的應(yīng)力和撓度對(duì)比

5.結(jié)論

計(jì)算結(jié)果表明，加固后主梁各跨跨中的正截面彎矩承載力比原橋提高約17%，跨中的正截面彎矩承載力與原橋相同；主梁各跨跨中撓度平均下降約10%，截面應(yīng)力平均下降約8%。綜上所述，該加固方法切實(shí)有效，結(jié)構(gòu)的承載能力得到了明顯提高，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)得到了明顯改善。

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