外預(yù)應(yīng)力索在舊橋加固中的應(yīng)用

卯明鋒

摘要：預(yù)應(yīng)力體外索加固梁式橋上部，是當其存在結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是承載能力不足或需提高其荷載等級，即需要對橋梁主要受力結(jié)構(gòu)進行加固，可在梁體（梁底與梁兩側(cè)）設(shè)置鋼筋、鋼絲束或鋼絞線，并施工預(yù)應(yīng)力，以改善橋梁的受力狀況，達到提高橋梁承載能力的目的。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)；體外索；加固

一、引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國交通事業(yè)也在快速發(fā)展，越來越多的重型車輛出現(xiàn)，橋梁負荷日趨加重。由于歷史和資金的原因，我國大部分上個世紀修建的橋梁仍在使用，其設(shè)計荷載偏低、橋梁寬度偏小，這些橋梁已成為交通運輸中的潛在隱患。對這些舊橋、危橋如要全部推倒重建，既不科學，也不經(jīng)濟，更不現(xiàn)實。所以，必須重視對舊橋、危橋的加固維修，提高其承載力及耐久性，研究有關(guān)的維修與加固方法是十分必要及迫切的。

二、體外預(yù)應(yīng)力索加固技術(shù)簡介

預(yù)應(yīng)力體外索加固梁式橋上部，是當其存在結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是承載能力不足或需提高其荷載等級，即需要對橋梁主要受力結(jié)構(gòu)進行加固，可在梁體（梁底與梁兩側(cè)）設(shè)置鋼筋、鋼絲束或鋼絞線，并施工預(yù)應(yīng)力，以改善橋梁的受力狀況，達到提高橋梁承載能力的目的。

體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)由四個基本部分組成：體外預(yù)應(yīng)力所（簡稱體外索）、錨固系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向裝置及防腐系統(tǒng)。體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)使用范圍十分廣泛，可以應(yīng)用在新建的工程，更適用于舊橋結(jié)構(gòu)的改造與加固。體外預(yù)應(yīng)力索應(yīng)用在舊橋加固工程中有以下優(yōu)點：

1、與混凝土無粘結(jié)，由荷載產(chǎn)生的應(yīng)力變化分散在預(yù)應(yīng)力筋全長上，應(yīng)力變化值小，對結(jié)構(gòu)受力有利。

2、索力根據(jù)情況可以進行調(diào)整，預(yù)應(yīng)力索可以更換，便于使用期間維護。

3、在自重增加很小的情況下可大幅度改善和調(diào)整原結(jié)構(gòu)的受力狀況，提高結(jié)構(gòu)剛度和承載力。

4、施工快速，加固時不影響或少影響交通，較少交通壓力。

5、體外預(yù)應(yīng)力索在工廠定制，設(shè)備成套，質(zhì)量有保證。

三、體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計計算步驟與方法

1、計算求出被補強構(gòu)件提高荷載等級前所受荷載及其引起的內(nèi)力。

2、計算提高荷載標準后的活載內(nèi)力，并由恒載與活載的組合來驗算加固的必要性。

3、由上面兩項之差得出內(nèi)力的提高值，估算出補強拉桿應(yīng)有的橫截面面積。

4、計算和確定拉桿所必須的張拉力和引伸量。

5、承載力驗算。按設(shè)計規(guī)范驗算被加固梁在跨中和支座截面的偏心受壓承載力，以及支座至拉桿彎折處或支座范進的斜截面承載力。

6、計算確定施工中控制張拉時需要的控制量。

四、工程實例

該連續(xù)剛構(gòu)橋于1994年10月建成通車，主橋跨徑組合為（45+2×75+45）m，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁橋；引橋為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁。橋面總寬18.0m，雙向四車道，橋面布置為0.5m（防撞護欄）+17.0m（行車道）+0.5m（防撞護欄）。設(shè)計荷載：汽-20級，掛-100。

主橋上部結(jié)構(gòu)變截面單向（縱向）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，采用懸臂澆筑方法施工。上部箱梁分為左右幅采用單箱單室直腹板箱梁，左右幅翼緣板各預(yù)留0.5m現(xiàn)澆段，將左右幅相連成整體。箱梁根部梁高4.26m，跨中梁高2.18m，頂板寬9.0m，底板寬5.0m，懸臂2.0m。墩頂腹板厚50cm，跨中腹板厚20cm，腹板厚度漸變段長度50cm。箱梁頂板厚20cm，底板厚為20～60cm。

該橋竣工交付使用以來，大橋交通量增長迅速，由于養(yǎng)護不當，超載車較多等因素，主橋箱梁頂板底面存在眾多縱向裂縫，主要集中在箱梁中線附近；箱梁內(nèi)側(cè)腹板幅腹板共發(fā)現(xiàn)多條斜向裂縫，大部分位于10#施工節(jié)段附近；箱外腹板發(fā)現(xiàn)斜向、豎向裂縫，未裂穿腹板；箱梁第14#～17#跨箱內(nèi)橫隔板均出現(xiàn)豎向裂縫，主要分布于橫隔板人洞頂部。

根據(jù)橋梁現(xiàn)狀病害情況，結(jié)合計算，找出病害產(chǎn)生的原因，有針對性的選用加固方案。

1、對原結(jié)構(gòu)設(shè)計進行復(fù)核驗算（按85規(guī)范）

1）、計算荷載

一期恒載：包括主梁。橫隔板作為外部荷載考慮，不參與結(jié)構(gòu)受力。

二期恒載：橋面鋪裝、防撞欄等。

本橋基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，連接墩按沉降1cm，主墩按沉降2cm計，取最不利沉降組合。

檢算荷載：汽車-20級、掛車-100。

溫度作用

（1）整體溫差：升溫15℃，降溫20℃；

（2）局部溫差：按橋面板范圍內(nèi)±5度考慮。

2）、計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，原橋基本能85規(guī)范A類構(gòu)件的要求。

（1）主梁各截面的內(nèi)力均小于結(jié)構(gòu)抗力，承載能力滿足規(guī)范要求。

（2）主梁正應(yīng)力、主應(yīng)力均小于規(guī)范限值，滿足A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求。

2、對現(xiàn)狀橋梁復(fù)核驗算（按85規(guī)范，溫度梯度采用04規(guī)范，并考慮結(jié)構(gòu)破損）

對現(xiàn)狀橋梁復(fù)核驗算是指根據(jù)檢測報告結(jié)果和新規(guī)范（新規(guī)范對溫度梯度的作用要求更高），考慮截面剛度折減和應(yīng)力折減后對結(jié)構(gòu)進行驗算。

1）、計算荷載

檢算荷載：汽車-20級、掛車-100。

溫度作用

（1）整體溫差：升溫15℃，降溫20℃；

（2）局部溫差：按04規(guī)范梯度溫度考慮。

2）、計算結(jié)果

（1）主梁各截面的內(nèi)力均小于結(jié)構(gòu)抗力，承載能力滿足規(guī)范要求。

（2）法向拉應(yīng)力在組合Ⅱ作用在，中跨跨中底板和邊跨靠連接墩范圍頂板拉應(yīng)力達到4.0Mpa，不滿足85規(guī)范要求（≤2.4Mpa）。

（3）主拉應(yīng)力在荷載組合Ⅱ作用下，中間跨跨中底板和邊跨靠連接墩范圍頂板主拉應(yīng)力達到4.0Mpa，不滿足85規(guī)范要求（≤2.4Mpa）。另外10～12梁端附近主拉應(yīng)力也較大。

上述兩次計算結(jié)果表明：

（1）、最大主拉應(yīng)力顯著增大，主拉應(yīng)力在跨中范圍內(nèi)較大，但與正應(yīng)力方向相同。10～12號梁段附近主拉應(yīng)力方向為斜向，且值較大，與結(jié)構(gòu)實際發(fā)生裂縫的位置接近。

（2）、最大正拉應(yīng)力顯著增大。正拉應(yīng)力主要發(fā)生在中間跨跨中底板和邊跨靠近連接墩梁的頂板內(nèi)。經(jīng)查，與國內(nèi)近期一些橋梁設(shè)計相比，原橋中跨底板束較弱，在邊跨梁端附近頂板未設(shè)置頂板束。

（3）、計算結(jié)果變化方向相同，應(yīng)力結(jié)果相差不大，應(yīng)力增大基本是由溫度梯度引起的。橋梁病害往往是多種因素造成的，規(guī)范體系只是其中之一，現(xiàn)場看該橋重車較多，橋面鋪裝多次維修，行車不夠平順；箱梁10～12號梁段處腹板設(shè)計厚度僅30厘米，沒有腹板束，構(gòu)造騙弱；橋梁頂?shù)装搴穸染。孛嬲w剛度騙弱。在多種因素共同作用下，出現(xiàn)了10～12號梁段的斜裂縫。

根據(jù)以上分析可知，加固方案應(yīng)從以下兩個方面入手。

（1）、盡量減少溫度梯度的影響，適當增加瀝青鋪裝厚度。

（2）、采用合理的加固措施減小拉應(yīng)力，施加體外束。注意體外束應(yīng)盡量避免增加墩頂附近壓應(yīng)力較大區(qū)域的負擔。

主橋箱梁體外索加固布置如圖2所示

圖2 體外預(yù)應(yīng)力索布置圖

體外索采用7根Φ15.24鋼絞線組成一束的成品索，符合行業(yè)標準《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T18365-2001）的規(guī)定。

4、加固方法及加固后驗算

根據(jù)以上研究分析，主橋箱梁加固采用體外預(yù)應(yīng)力束加固方法。本次考慮加固措施后采用85規(guī)范計算，荷載基本采用89通用規(guī)范體系，溫度梯度采用04規(guī)范。計算考慮結(jié)構(gòu)破損對承載力和應(yīng)力影響，承載能力計算考慮了截面剛度折減，應(yīng)力計算考慮了預(yù)應(yīng)力折減。

結(jié)果如下：

計算表明，加固后主橋應(yīng)力顯著改善，荷載組合Ⅱ作用下中跨跨中底板和邊跨靠連接墩范圍頂板未出現(xiàn)拉應(yīng)力，主拉應(yīng)力降低到1.4Mpa，滿足85規(guī)范的各項指標要求，梁體應(yīng)力狀況顯著改善，達到預(yù)期的設(shè)計要求。

五、體外索施工

體外索均成直線布置，采用兩端張拉，箱梁兩側(cè)對稱張拉。鋼束張拉采用張拉力與引伸量雙控，以引伸量校核。張拉控制應(yīng)力為0.65fpk=1209MPa。

體外索施工工藝流程：

施工準備→下料、放線架安裝→臨時支撐裝置安裝→穿索通道檢查、清理→穿索→錨具安裝→張拉→拆除穿索工裝→限位裝置固定→切鋼絞線、端部防腐、安裝保護罩。

六、結(jié)束語

體外預(yù)應(yīng)力加固是對舊橋結(jié)構(gòu)施加體外預(yù)應(yīng)力索，以預(yù)加力產(chǎn)生的反彎矩抵消部分外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，它可以改善舊橋應(yīng)力狀況、提高承載能力、降低鋼筋應(yīng)力幅值及控制裂縫發(fā)展，增加結(jié)構(gòu)的使用年限和耐久性，加固效果好且經(jīng)濟性較好，是一種十分理想的加固方法，具有廣闊的發(fā)展前景。

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