鋼絲繩U型加固承載力驗(yàn)算及應(yīng)力損失研究

封明明，汪小鵬

（西安公路研究院，陜西 西安 710065）

隨著國(guó)內(nèi)橋梁數(shù)量的增加和服役時(shí)間的延長(zhǎng)，在高頻重車(chē)輛荷載、溫差等各種環(huán)境因素長(zhǎng)期作用下，許多混凝土橋梁已步入老化期，出現(xiàn)了混凝土材料劣化、鋼筋銹蝕等諸多病害，甚至影響到橋梁安全運(yùn)營(yíng)，橋梁的耐久性、安全性受到巨大影響，因此橋梁加固維修已迫在眉睫[1-4]。

預(yù)張緊鋼絲繩加固技術(shù)是體外預(yù)應(yīng)力加固的一種，由于鋼絲繩具有可彎曲性這種特性，因此在橋梁抗剪加固中可以發(fā)揮它的這種長(zhǎng)處[5-7]。課題組在室內(nèi)對(duì)預(yù)張緊鋼絲繩加固混凝土梁做了模型加固試驗(yàn)后，在實(shí)橋加固中進(jìn)一步研究了鋼絲繩應(yīng)力損失以及該加固技術(shù)的U型加固方法承載力驗(yàn)算，為后續(xù)混凝土構(gòu)件預(yù)張緊鋼絲繩技術(shù)加固做指導(dǎo)。

1 工程概況

某橋?yàn)閲?guó)家高速上的一座大橋，起點(diǎn)樁號(hào)K661+848，終點(diǎn)樁號(hào)K662+311，總長(zhǎng)463 m，跨徑組合為（3×35+4×35+3×35+3×35）m，上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、肋式臺(tái)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面寬度：0.9 m（防撞護(hù)欄）+11.5 m（行車(chē)道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）=12.9 m。橋梁設(shè)計(jì)荷載公路-I級(jí)；地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)0.1g；橋面鋪裝8 cm厚C40混凝土現(xiàn)澆層+防水層+9 cm厚瀝青混凝土。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)在箱梁梁長(zhǎng)（0～1/4）L和（3/4～1）L區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了斜向的規(guī)則裂縫，裂縫最大寬度0.25 mm，經(jīng)受力分析該裂縫是梁體抗剪能力不足引起的受力裂縫，需要對(duì)梁體及時(shí)進(jìn)行抗剪加固處理，最終選擇使用U型預(yù)張緊鋼絲繩技術(shù)加固。

2 鋼絲繩U型加固的影響因素

2.1 混凝土構(gòu)件拐角處摩擦對(duì)鋼絲繩加固效果的影響

目前，混凝土梁抗剪區(qū)U型預(yù)張緊鋼絲繩加固在混凝土結(jié)構(gòu)倒角處，鋼絲繩直接接觸混凝土結(jié)構(gòu)表面，未做其他任何處理，鋼絲繩與混凝土結(jié)構(gòu)表面之間的摩阻，致使鋼絲繩張拉困難，且預(yù)應(yīng)力損失較為嚴(yán)重，不能夠充分發(fā)揮鋼絲繩的極限強(qiáng)度和確保其使用壽命。為了能克服這種弊病，開(kāi)發(fā)了鋼絲繩分離減磨器。

鋼絲繩分離減磨器由固定錨栓、角板構(gòu)成（見(jiàn)圖1～圖4），在U型預(yù)張緊鋼絲繩加固技術(shù)中，在混凝土拐角處安裝固定角板，通過(guò)固定角板和鋼絲繩的接觸減少摩擦，通過(guò)在角板上刻槽將鋼絲繩進(jìn)行分離，防止鋼絲繩在施加預(yù)應(yīng)力過(guò)程中團(tuán)簇在一起。

2.2 下料誤差對(duì)鋼絲繩加固效果的影響

預(yù)張緊鋼絲繩加固技術(shù)是在鋼絲繩上施加外加預(yù)應(yīng)力來(lái)加固結(jié)構(gòu)件的，鋼絲繩下料直接影響鋼絲繩的施加預(yù)應(yīng)力效果。鋼絲繩的應(yīng)力和鋼絲繩的長(zhǎng)度有密切的關(guān)系，其關(guān)系式為：

圖1 連接裝置使用示意

圖2 連接裝置結(jié)構(gòu)示意

圖3 連接裝置結(jié)構(gòu)側(cè)面

圖4 連接裝置結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖

式中：l實(shí)為實(shí)際需要的鋼絲繩長(zhǎng)度，mm；l固為加固件兩固定端的實(shí)際距離，mm；l伸為設(shè)計(jì)施加預(yù)應(yīng)力值換算鋼絲繩的伸長(zhǎng)量，mm；l誤為施工誤差引起的伸長(zhǎng)量變化值，mm。

鋼絲繩裁剪前，量取加固件兩固定端的實(shí)際距離，去除鋼絲繩預(yù)應(yīng)力引起的伸長(zhǎng)量，再減去由于施工誤差引起的伸長(zhǎng)量變化值，最后得實(shí)際需要的鋼絲繩長(zhǎng)度。當(dāng)下料有微小的多余時(shí)，可以通過(guò)在錨固端鎖扣處墊鋼片來(lái)處理。當(dāng)固定板由于細(xì)微的不平行引起鋼絲繩施加力不一致時(shí)，可以通過(guò)微型索力儀測(cè)試各鋼絲繩的力值，利用在張拉端和錨固端墊墊片的方式來(lái)調(diào)節(jié)各鋼絲繩力值，使每條鋼絲繩力值符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 接頭壓緊對(duì)鋼絲繩加固效果的影響

在鋼絲繩預(yù)應(yīng)力加固過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力的保留是通過(guò)鋼絲繩兩端的錨固裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，錨固裝置是利用兩個(gè)固定板在加固件上固定，再將鋼絲繩兩端安裝鎖扣后，一端先固定在固定板上，另一端通過(guò)施加外加力使固定端嵌入固定板得以將預(yù)應(yīng)力保留。

接頭的壓緊程度直接影響預(yù)應(yīng)力的損失，因此在制作鋼絲繩兩端鎖扣時(shí)，應(yīng)按照技術(shù)要求做好鎖扣，使鎖扣受力均勻、形狀規(guī)范，便于安裝。

3 承載力驗(yàn)算

3.1 斜截面抗剪承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算

對(duì)于利用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩U型加固的矩形、T形和I形截面的受彎構(gòu)件，當(dāng)原構(gòu)件配置箍筋和彎起鋼筋時(shí)，鋼絲繩加固的構(gòu)件其斜截面抗剪承載力計(jì)算應(yīng)滿足：

其中

式中：ρpv、fpv為預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固引起的構(gòu)件剪力提升項(xiàng)；Vsb=0.75×10-3fsd∑Asbsinθs；Vpb=0.75×10-3fpd∑Apdsinθp，

式中：fpv為鋼絲繩預(yù)應(yīng)力抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ρpv為斜截面內(nèi)鋼絲繩配繩率，ρpv=Apv/Spb；Apv為斜截面內(nèi)配置在同一截面的鋼絲繩各支總截面面積，mm2；sp為斜截面內(nèi)鋼絲繩的間距，mm。

其他符號(hào)含義及取值參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2018）。通過(guò)在斜截面抗剪承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算公式中引入預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固引起的構(gòu)件剪力提升項(xiàng)，使加固驗(yàn)算控制更準(zhǔn)確，更加精確地進(jìn)行鋼絲繩預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)。

3.2 斜截面抗裂驗(yàn)算

預(yù)應(yīng)力鋼絲繩U型加固的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件由荷載短期效應(yīng)組合和預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土主拉應(yīng)力σtp和主壓應(yīng)力σcp，按下列公式計(jì)算：

式中符號(hào)含義及取值參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2018）。通過(guò)斜截面抗裂驗(yàn)算，使設(shè)計(jì)施加在混凝土梁上的力滿足要求。

4 鋼絲繩U型加固技術(shù)

4.1 加固材料

鋼絲繩選用高強(qiáng)、低松弛、高延性的鋼絲繩。用鍍鋅鋼絲繩（6×7+IWS）公稱直徑4.5 mm，其各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 鋼絲繩性能指標(biāo)

鋼絲繩固定板選用GDBA-500-4.5-30，固定板采用8.8級(jí)M24化學(xué)錨栓固定于梁上，采用Ⅰ級(jí)改性環(huán)氧類聚合物砂漿，基本性能：a）劈裂抗拉強(qiáng)度大于等于7.0 MPa；b）正拉黏結(jié)強(qiáng)度大于等于2.5 MPa，且為混凝土內(nèi)聚破壞；c）抗折強(qiáng)度大于等于12 MPa；d）抗壓強(qiáng)度大于等于55 MPa；e）鋼套筒黏結(jié)抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大于等于12 MPa。

4.2 加固工藝

鋼絲繩U型加固施工工藝：定位放線及打孔植筋→混凝土基面處理→角板及固定板安裝→鋼絲繩裁切→預(yù)應(yīng)力張拉→聚合物砂漿封層。

4.3 施工要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

a）定位放線及打孔植筋 按設(shè)計(jì)圖紙要求的尺寸并結(jié)合梁結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸,用鋼筋探測(cè)儀進(jìn)行梁錨固區(qū)位置的定位放線植筋。

b）混凝土基面處理 將梁體鋼絲繩加固處的表面浮灰清除干凈，露出新混凝土表面，再用抹布擦凈打磨灰塵。

c）角板及固定板安裝 按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诹后w拐角處鋼筋探測(cè)儀打孔安裝固定錨栓及角板，并將固定板安裝在梁體設(shè)計(jì)的位置。

d）鋼絲繩裁切 鋼絲繩裁切時(shí)依據(jù)計(jì)算公式先計(jì)算好鋼絲繩的長(zhǎng)度再裁切。

e）預(yù)應(yīng)力張拉 將鋼絲繩兩端用端頭器制作卡頭，將鋼絲繩固定端安裝在固定板上，并安裝銷(xiāo)固卡，另一端用張拉器進(jìn)行張緊，張拉力值用微型索力儀進(jìn)行控制，利用力值調(diào)整措施進(jìn)行校正。

f）聚合物砂漿封層 在張拉調(diào)整完后，將鋼絲繩網(wǎng)內(nèi)雜物及粉塵清理干凈，在整個(gè)加固面噴涂界面劑，注意不能留死角，將拌好的聚合物砂漿分3次逐層壓抹3 cm將鋼絲繩封住，最后將表面壓抹平整并養(yǎng)護(hù)。

4.4 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收

a）新舊混凝土結(jié)合強(qiáng)度是新結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)，為保證有效黏結(jié)，原結(jié)構(gòu)基層必須進(jìn)行打磨露出完好混凝土并鑿毛，且要求表面必須平整無(wú)灰塵。

b）鋼絲繩的張拉強(qiáng)度是加固成功的關(guān)鍵，張拉力必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，張拉強(qiáng)度控制采取鋼絲繩伸長(zhǎng)量和索力儀微調(diào)雙控制。

c）用小錘敲擊，檢查鋼絲繩加固體與舊混凝土粘貼面是否有剝離現(xiàn)象。

5 結(jié)論

在使用預(yù)張緊鋼絲繩加固技術(shù)進(jìn)行混凝土構(gòu)件抗剪加固中，抗剪加固設(shè)計(jì)計(jì)算和減少預(yù)應(yīng)力損失是保證該技術(shù)加固效果的重要過(guò)程。通過(guò)在斜截面抗剪承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算公式中引入預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固引起的構(gòu)件剪力提升項(xiàng)，更加精確地進(jìn)行構(gòu)件抗剪承載力驗(yàn)算；通過(guò)在混凝土拐角處設(shè)置鋼絲繩減磨分離器，控制鋼絲繩下料長(zhǎng)度，在接頭處墊片措施減少預(yù)應(yīng)力損失，促進(jìn)了該加固技術(shù)在混凝土構(gòu)件抗剪加固中的應(yīng)用。