橋梁結(jié)構(gòu)蓋梁體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計及施工實例分析

摘 要：體外預(yù)應(yīng)力加固方法是提高橋梁承載能力、改善其受力性能的一種簡單易行的方法。本文對體外預(yù)應(yīng)力加固高架橋蓋梁時體外預(yù)應(yīng)力筋的布置、預(yù)應(yīng)力損失以及內(nèi)力增量的計算等技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了分析研究。為今后類似工程提高設(shè)計、施工及監(jiān)理等工程資料。

關(guān)鍵詞：體外預(yù)應(yīng)力；加固；橋梁

中圖分類號：K928.78 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）10-0070-02

1 工程概況

某高架橋橋位為第四紀(jì)沉積層地形基本平坦東端略低而西端略高，地層自上而下依次為人工堆積層、圓礫卵石層、粘質(zhì)粉土層、粉質(zhì)粘土層以及粉質(zhì)粘土粘質(zhì)粉土層。本區(qū)段地下水可分為上層滯水、潛水和承壓水潛水含水層主要為細(xì)砂層，水位埋深為15.85m，水頭標(biāo)高為8.12～15.33m，承壓含水層為圓礫卵石層。高架橋橋全長1288m，共四跨連續(xù)梁組成，除第六聯(lián)為三跨連續(xù)鋼混結(jié)合梁外其余均為三孔預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁組成。

2 主要病害及其成因分析及加固設(shè)計計算分析

對該高架橋進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)普查，普查報告中對蓋梁情況綜述為：在檢查的蓋梁中發(fā)現(xiàn)該梁存有露筋、混凝土局部脫落等病害且表面均有損傷其中寬度大于0.5mm混凝土表面裂縫的蓋梁外觀局部破損與局部裂縫較多在蓋梁上頂面與下底面的裂縫形式與分布部位多樣發(fā)現(xiàn)有橫向連續(xù)裂縫，針對該橋的病害進(jìn)行了現(xiàn)場勘察以便進(jìn)一步了解該高架橋下部構(gòu)造的實際狀況。

2.1 主要病害及其成因分析

通過現(xiàn)場勘察、分析，下部構(gòu)造主要病害歸納為：在抽查的橋墩中發(fā)現(xiàn)多個蓋梁跨中附近下緣因存在空洞而出現(xiàn)不規(guī)則開裂且部分蓋梁因抗裂鋼筋不足與施工工藝差等原因造成的，在蓋梁側(cè)表面產(chǎn)生沿橫橋向的裂縫有5個蓋梁在跨中附近下緣發(fā)現(xiàn)存在沿橋梁縱向貫穿蓋梁的裂縫。

部分蓋梁上緣存在豎向裂縫與沿橋梁縱向貫穿裂縫，縫寬最大已超過0.2mm，少數(shù)蓋梁在墩柱附近存在斜向裂縫的寬度多位于0.4mm內(nèi)，裂縫深多為2～5mm，其原因主要為施工工藝不當(dāng)。

2.2 體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計技術(shù)要點分析

由于橋梁養(yǎng)護(hù)施工資料不足，無法判斷這些病害所導(dǎo)致的蓋梁裂縫產(chǎn)生的時間，不能夠準(zhǔn)確予以確定施工工藝差或步驟不當(dāng)造成的損害，在施工過程中產(chǎn)生裂縫，從對橋墩蓋梁的計算結(jié)果顯示來看，該橋蓋梁在設(shè)計理想狀態(tài)下是符合部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用性能要求。對蓋梁上緣與跨中截面附近下緣已出現(xiàn)沿橋梁縱向貫穿的結(jié)構(gòu)受力裂縫的蓋梁，采用體外預(yù)應(yīng)力法進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。蓋梁水泥混凝土的實際抗壓和抗折強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度等級要求，無法承擔(dān)過大的拉應(yīng)力其抗拉強(qiáng)度偏低；在實際的使用過程中，由于其有效預(yù)應(yīng)力損失過大，其有效預(yù)應(yīng)力偏低，其控制截面混凝土因承受過大拉應(yīng)力而開裂。根據(jù)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果可以看出，在設(shè)計荷載作用下，蓋梁上緣基本處于預(yù)壓應(yīng)力狀態(tài)，但跨中下緣在最不利荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因而分析蓋梁上緣的裂縫主要系施工工藝不當(dāng)所致，而跨中下緣沿橋梁縱向貫穿的裂縫因有效預(yù)應(yīng)力偏低或混凝土強(qiáng)度偏低產(chǎn)生。無法進(jìn)一步查詢其產(chǎn)生的真實原因考慮未查詢到竣工資料有關(guān)記錄并鑒于靜載試驗過程中其裂縫有進(jìn)一步擴(kuò)張的趨勢并隨著試驗荷載的不斷增加下，因而加固根據(jù)最不利原則，對蓋梁跨中截面下緣已出現(xiàn)沿橋梁縱向貫穿裂縫的蓋梁進(jìn)行加固。

2.2.1 體外預(yù)應(yīng)力筋的選擇

考慮本橋的特點、體外預(yù)應(yīng)力的特性及耐久性要求，擬選擇環(huán)氧噴涂且有雙層PE護(hù)套的高強(qiáng)度低松弛無黏結(jié)筋作體外預(yù)應(yīng)力筋。

2.2.2 體外預(yù)應(yīng)力筋用量及形式的確定

體外預(yù)應(yīng)力束的用量的控制值：若體外預(yù)應(yīng)力束設(shè)置過量蓋梁局部壓應(yīng)力值過大而超過規(guī)范允許值，不僅造成浪費還增加了工程造價；若體外預(yù)應(yīng)力設(shè)置較少，就不能起到很好的加固作用。因此，在對橋梁的檢測過程中出現(xiàn)了蓋梁支點與跨中控制截面，沿橋梁縱向的貫穿于結(jié)構(gòu)受力方向的應(yīng)力裂縫，但是結(jié)構(gòu)在恒載作用下經(jīng)過驗算本加固增設(shè)的體外預(yù)應(yīng)力值，以能平衡汽車荷載產(chǎn)生的應(yīng)力值為最佳預(yù)應(yīng)力用量。依然是可靠且安全的。

2.2.3 預(yù)應(yīng)力束的設(shè)置形式

預(yù)應(yīng)力束的設(shè)置形式需綜合考慮的四個因素是橋梁預(yù)應(yīng)力加固的效果好壞、錨固塊的設(shè)置是否方便合理、轉(zhuǎn)向塊的設(shè)置是否便于施工以及最低的配筋率。為使預(yù)應(yīng)力筋盡量靠近蓋梁，以減小新老混凝土結(jié)合面的拉應(yīng)力，因而施工圖設(shè)計中采用偏錨，并在每束預(yù)應(yīng)力束上設(shè)置支承支架（起支承與減振作用）。預(yù)應(yīng)力束的布置形式如圖1所示。

2.3 體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計計算

為了分析結(jié)構(gòu)病害的成因與維修加固工藝的確定，進(jìn)而為施工圖設(shè)計提供理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要分析橋下部構(gòu)造在設(shè)計荷載作用下實際受力狀況是否符合原交通部頒布《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件使用要求。

3 體外預(yù)應(yīng)力加固維修設(shè)計原則

加固維修設(shè)計以該高架橋恢復(fù)至原設(shè)計狀態(tài)為基本原則，橋墩符合部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件使用要求。因而全橋僅對蓋梁上緣與跨中下緣存在沿橋梁縱向貫穿開裂的蓋梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。維修后大橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相同，橋面凈空與原橋相同，在設(shè)計理想狀態(tài)下計算荷載與技術(shù)參數(shù)有設(shè)計荷載采用汽車-超20級、掛車-120、人群-3. 5kN/m2。

3.1 計算方法

經(jīng)綜合計算樁柱等效高度為15.8m，為便于計算分析將樁基礎(chǔ)與墩柱按照等剛度原則換算為一端自由和一端固結(jié)的結(jié)構(gòu)模式，換算后結(jié)構(gòu)模型中基礎(chǔ)周邊土體對樁基不產(chǎn)生作用。

3.2 結(jié)構(gòu)計算模型分析

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）第8.2.1條規(guī)定：跨中截面下緣最大拉應(yīng)力的墩臺蓋梁與墩柱應(yīng)按剛構(gòu)計算，該橋橋墩蓋梁在設(shè)計理想狀態(tài)下符合部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件使用要求，蓋梁在最不利荷載作用下支點截面上緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力狀況。采用實體單元計算出的控制截面的控制應(yīng)力均比采用梁單元計算結(jié)果小，結(jié)構(gòu)各部位最大壓應(yīng)力亦小于其抗壓設(shè)計強(qiáng)度值，上部構(gòu)造橫向分布采用杠桿法計算出的蓋梁控制截面、控制應(yīng)力明顯較按鉸接板法計算結(jié)果更為不利，梁單元計算模型中墩柱與蓋梁之間連接為點連接，而空間有限元模型為面連接更符合實際結(jié)構(gòu)，這說明橋梁上部構(gòu)造橫向整體受力性能直接關(guān)系到下部構(gòu)造的受力計算模型如圖2所示。

4 體外預(yù)應(yīng)力加固施工工藝

鑒于大橋維修工藝多具特殊性，且工程量較小，并多涉及隱蔽工程，建議業(yè)主選擇具有相應(yīng)資質(zhì)與有類似工程施工經(jīng)驗的單位進(jìn)行施工，并聘請具有舊橋維修加固經(jīng)驗的工程師進(jìn)行監(jiān)理。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按照各維修要素相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程進(jìn)行操作，特別注意以下幾點：

本維修施工圖設(shè)計系是在現(xiàn)場勘察結(jié)果的基礎(chǔ)上編制完成的，因而在實際施工過程中，若發(fā)現(xiàn)實際病害與本橋施工圖設(shè)計中描述不符，應(yīng)及時通知設(shè)計單位進(jìn)行變更。蓋梁體外束在張拉時，應(yīng)嚴(yán)格對控制截面張拉效果，并采用雙控法對張拉效應(yīng)進(jìn)行控制；蓋梁體外預(yù)應(yīng)力應(yīng)以蓋梁縱橋?qū)挾确较虻闹行木€為對稱軸采用斜對稱分批張拉，以免蓋梁在體外預(yù)應(yīng)力束張拉過程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

體外預(yù)應(yīng)力束應(yīng)嚴(yán)格采用環(huán)氧涂層無黏結(jié)筋的專用錨具，以免張拉過程中對環(huán)氧涂層產(chǎn)生破壞，而影響體外束使用耐久性。應(yīng)切實加強(qiáng)體外預(yù)應(yīng)力錨固塊混凝土內(nèi)的錨筋施工質(zhì)量，施工完成后應(yīng)抽取不少于5%的錨筋進(jìn)行抗拔試驗，要求每根錨筋抗拔力不小于35kN。

體外預(yù)應(yīng)力束的張拉要求采用單根張拉法逐根張拉，在蓋梁上鉆錨固孔時應(yīng)嚴(yán)格控制鉆孔位置與深度，以免對蓋梁內(nèi)原有預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生破壞。派專人進(jìn)行跟蹤觀察，并通過本次維修建立起較全面的橋梁檔案與監(jiān)測控制系統(tǒng)，為以后大橋養(yǎng)護(hù)與安全監(jiān)測提供完整的資料與依據(jù)。

5 結(jié)語

體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁的方法具有安全性和可操作性，且經(jīng)濟(jì)性合理等諸多優(yōu)點，它具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)這方面的研究。目前在國際上只有少量應(yīng)用，我國在這方面的研究尚在起步，所以在這方面的研究經(jīng)驗及實踐極少。但施工時間短，能大批量施工，故該技術(shù)在類似的工程項目中值得推廣。

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