公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)研究

劉楊濤偉

（南昌同恒工程咨詢有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

隨著交通運(yùn)輸需求的增長(zhǎng)和橋梁老化問(wèn)題的凸顯，公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)成為當(dāng)前橋梁工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題，其在提高橋梁承載能力、延長(zhǎng)使用壽命、減少維修成本等方面有重要意義。合理進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)和施工，能夠有效修復(fù)和加固橋梁結(jié)構(gòu)，提高其承載能力，延緩老化進(jìn)程，保障交通運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃??；诖?，文章結(jié)合工程實(shí)例，研究公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和方法，提出高效可行的設(shè)計(jì)方案和施工要點(diǎn)。

1 工程概況

某工程是一座位于城市主干道上的橋梁，為了適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通需求，提高該橋梁的承載能力和安全性，決定對(duì)其進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固。該橋梁為混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，總長(zhǎng)800m。

由于橋梁使用年限較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)存在一定的老化和損傷，承載能力逐漸減弱。進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)橋梁進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，了解其現(xiàn)狀和問(wèn)題。經(jīng)過(guò)綜合分析和計(jì)算，確定預(yù)應(yīng)力加固的具體方案。按照設(shè)計(jì)要求，在橋梁主梁的底部進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固，采用外加預(yù)應(yīng)力的方式，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力力量，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。

2 公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)

2.1 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固設(shè)計(jì)

2.1.1 原主梁加固設(shè)計(jì)計(jì)算

第一，在預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)中，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩等材料的計(jì)算應(yīng)嚴(yán)格按照其剛度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，進(jìn)而為后續(xù)技術(shù)處理提供基礎(chǔ)性的保障。經(jīng)分析，錨具變形和接縫等因素導(dǎo)致的腹板和底板預(yù)應(yīng)力損失分別為42.026MPa 和40.625MPa，其他情況造成的預(yù)應(yīng)力損失分別為81.6MPa 和81.85MPa。這些損失情況需要在設(shè)計(jì)中充分考慮，并采取相應(yīng)的措施加以補(bǔ)償。為此，需要通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力加固方案，以保證預(yù)應(yīng)力鋼絲繩等材料的使用符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從而確保加固工程的質(zhì)量。

第二，經(jīng)分析，預(yù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果大致為852.794MPa。基于對(duì)以上情況的分析，需要合理布置預(yù)應(yīng)力鋼絲繩等結(jié)構(gòu)，為施工提供有力保障。

第三，在加固設(shè)計(jì)中，還應(yīng)進(jìn)行極限抗彎承載力計(jì)算，對(duì)斜截面也需要進(jìn)行精細(xì)計(jì)算[1]。

2.1.2 預(yù)應(yīng)力布置形式

預(yù)應(yīng)力布置設(shè)計(jì)在高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固中起重要作用，鋼絲繩的數(shù)量、布置方式和預(yù)應(yīng)力力量的分配，直接影響加固結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。因此，需要合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力的布置形式。

首先，預(yù)應(yīng)力布置設(shè)計(jì)需考慮橋梁的跨度、荷載情況、變形要求等因素，確定合理的預(yù)應(yīng)力布置方案。

其次，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮鋼絲繩的層數(shù)、跨徑間距和施加預(yù)應(yīng)力的位置。

最后，按照預(yù)期的設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)需求，確定每根鋼絲繩的預(yù)應(yīng)力力量。在計(jì)算過(guò)程中，需要考慮橋梁的受力特點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的材料性能和可調(diào)性等因素，確保預(yù)應(yīng)力力量合理分配。

2.1.3 端部錨具設(shè)計(jì)

第一，根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)形式和需要加固的區(qū)域，選擇適合的端部錨具類型，如球端錨、承插端錨或者錨板端錨。同時(shí)，需要確保錨具的剛度和強(qiáng)度能夠滿足預(yù)應(yīng)力力量的傳遞需求。

第二，端部錨具的布置位置和數(shù)量應(yīng)按照加固結(jié)構(gòu)的需要來(lái)確定。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的數(shù)量、位置和錨具的布置間距。

第三，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定合適的連接方式，如螺栓連接、焊接或混凝土澆筑連接等，需要確保端部錨具與加固結(jié)構(gòu)之間的連接牢固可靠，能夠有效傳遞預(yù)應(yīng)力力量，且便于施工操作和維護(hù)[2]。

2.1.4 預(yù)應(yīng)力加固有限元分析

在高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固有限元分析。

一是建立結(jié)構(gòu)模型，確定加固前和加固后的結(jié)構(gòu)，在有限元軟件中模擬預(yù)應(yīng)力鋼絲繩施加的力和應(yīng)力分布情況。

二是模擬加載情況，確定自重、交通荷載和其他外部荷載，計(jì)算出加固后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形情況，這有助于判斷結(jié)構(gòu)在不同荷載情況下的承載能力和變形情況，并優(yōu)化預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的布置和預(yù)應(yīng)力力量，以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

三是考慮材料的力學(xué)性能、應(yīng)變硬化和損傷模型，模擬結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用和不同環(huán)境條件下的行為，這有助于評(píng)估結(jié)構(gòu)的耐久性，包括抗裂性能、抗腐蝕性能和抗震性能等。

2.1.5 材料設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力鋼絲繩應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、抗腐蝕性和耐久性，以滿足橋梁加固的要求。

第一，按照橋梁的設(shè)計(jì)要求和受力情況，需要選擇具備足夠強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，以確保其能夠承受設(shè)計(jì)荷載和施加的預(yù)應(yīng)力。鋼絲繩的強(qiáng)度通常通過(guò)其抗拉強(qiáng)度來(lái)衡量，設(shè)計(jì)中需要充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和要求，選擇合適的強(qiáng)度等級(jí)的預(yù)應(yīng)力鋼絲繩。

第二，由于橋梁常處于惡劣的環(huán)境條件下，如潮濕、高溫、化學(xué)腐蝕等，因此預(yù)應(yīng)力鋼絲繩需要具備良好的抗腐蝕性能，以保證其長(zhǎng)期使用的可靠性。可按照實(shí)際情況采取合適的防腐措施，如熱鍍鋅、塑料涂層等，以提高鋼絲繩的抗腐蝕性能[3]。

2.1.6 施工工藝設(shè)計(jì)

施工工藝設(shè)計(jì)是預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，涉及鋼絲繩的張拉、錨固和固定等關(guān)鍵過(guò)程。設(shè)計(jì)施工工藝時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素，以確保施工過(guò)程的安全性和加固效果的可靠性。

首先，鋼絲繩的張拉順序是施工工藝設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的因素之一[4]。需要根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)要求，需要確定合適的張拉順序，以確保預(yù)應(yīng)力鋼絲繩能夠均勻受力，并保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。確定張拉順序時(shí)，需要考慮不同支點(diǎn)之間的相互作用，避免產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中，同時(shí)保證加固效果的一致性。

其次，張拉力的控制是施工工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的張拉過(guò)程中，需要準(zhǔn)確控制張拉力的大小，以滿足預(yù)定的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)要求。

最后，在施工工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮施工設(shè)備的選擇以及安全措施的落實(shí)。適宜的施工設(shè)備能夠提高施工效率和質(zhì)量，確保鋼絲繩的張拉和錨固過(guò)程順利進(jìn)行[5]。同時(shí)，施工過(guò)程中嚴(yán)格遵守安全規(guī)范，制訂并落實(shí)安全操作措施，能夠進(jìn)一步保障施工人員的安全。

2.2 增大截面法加固設(shè)計(jì)

2.2.1 加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

第一，確定加固的截面形式和尺寸。按照橋梁的實(shí)際情況和需要增加的承載能力，選擇適當(dāng)?shù)慕孛嫘问剑缂訉捔旱?、增加梁高、加設(shè)翼墻等[6]。同時(shí)，按照結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和荷載要求，確定增大的截面尺寸，確保加固后的結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)要求[7]。

方程中，x為外生觀測(cè)變量向量；ξ為外生潛變量向量；y為內(nèi)生觀測(cè)變量向量；η為內(nèi)生潛變量向量；Λx為外生觀測(cè)變量在外生潛變量上的因子載荷矩陣；Λy為內(nèi)生觀測(cè)變量在外生潛變量上的因子載荷矩陣；δ為外生變量的誤差項(xiàng)變量；ε為內(nèi)生變量之間的誤差項(xiàng)變量；B為內(nèi)生潛變量向量之間的路徑系數(shù)矩陣；Г為外生潛變量對(duì)內(nèi)生潛變量向量的路徑系數(shù)矩陣。

第二，加固設(shè)計(jì)中要注意材料選擇和連接方式。在增大截面法加固中，常用的加固材料包括鋼板、混凝土、纖維增強(qiáng)材料等。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)按照結(jié)構(gòu)的需求和加固方案，選擇合適的材料，并考慮其與原結(jié)構(gòu)的連接方式，如鋼板焊接、錨固等，確保加固部分能夠與原結(jié)構(gòu)協(xié)同工作。

第三，加固設(shè)計(jì)要充分考慮結(jié)構(gòu)的整體性能。增大截面法加固的目標(biāo)是提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，因此需要將加固部分與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好的銜接。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮加固部分與原結(jié)構(gòu)的剛度、變形和應(yīng)力分布等情況，保證加固后的結(jié)構(gòu)具備良好的整體性能。

第四，完成加固設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)算和評(píng)估，驗(yàn)證加固設(shè)計(jì)的有效性，并進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化，確保加固后的結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求。

第五，施工過(guò)程中要注意加固的施工順序和工藝要求。加固施工需要按照一定的順序進(jìn)行，確保加固部分與原結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)。同時(shí)，要按照加固方案的要求，合理選擇施工工藝，保證加固施工質(zhì)量。

2.2.2 橫隔梁加固設(shè)計(jì)

第一，橫隔梁加固部分需要與原結(jié)構(gòu)有效連接，以確保加固部分與原結(jié)構(gòu)協(xié)同工作。為此，在橫隔梁加固設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要根據(jù)施工需要合理選擇施工材料與連接方式，如焊接、螺栓連接等。

第三，完成加固設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)算和評(píng)估，以驗(yàn)證加固方案的有效性和安全性。通過(guò)對(duì)加固后的橫隔梁強(qiáng)度驗(yàn)算、變形計(jì)算和穩(wěn)定性評(píng)估，確保加固后的橫隔梁能夠滿足設(shè)計(jì)要求[8]。

3 公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)控制

第一，在預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，需要充分了解原橋梁的結(jié)構(gòu)狀況和荷載情況。通過(guò)對(duì)原橋梁的檢測(cè)和評(píng)估，確定加固的必要性和加固的部位，以及預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)方案的基本參數(shù)。同時(shí)，要考慮加固后的橋梁荷載和使用要求，確保加固后的橋梁滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求[9]。

第二，預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)中需要合理確定預(yù)應(yīng)力的施加方式和預(yù)應(yīng)力值。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的不同和加固目的，可以采用不同的預(yù)應(yīng)力施加方式，如預(yù)應(yīng)力張拉、預(yù)應(yīng)力壓漿等。預(yù)應(yīng)力值的確定需要根據(jù)橋梁的荷載特點(diǎn)和加固后的承載能力要求來(lái)確定，保證預(yù)應(yīng)力施加的準(zhǔn)確性。

第三，預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)需要控制施工工藝[10]。

一方面，張拉設(shè)備的選擇要符合施工要求，確保其性能穩(wěn)定、可靠。施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，需要通過(guò)張拉設(shè)備對(duì)預(yù)應(yīng)力筋施加適當(dāng)?shù)膹埨Γ源_保預(yù)應(yīng)力構(gòu)件具有足夠的承載能力。同時(shí)，要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，避免預(yù)應(yīng)力力值超過(guò)設(shè)計(jì)要求或者出現(xiàn)過(guò)度松弛的現(xiàn)象，影響加固效果和結(jié)構(gòu)安全性。

另一方面，預(yù)應(yīng)力筋的布置和固定也是重要的控制環(huán)節(jié)。預(yù)應(yīng)力筋的布置應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和受力情況，合理布設(shè)預(yù)應(yīng)力筋，以確保預(yù)應(yīng)力傳遞的均勻性和有效性。

第四，預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)還需要考慮與原有結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)[11]。需要合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件與原有結(jié)構(gòu)的連接方式，以確保加固后的結(jié)構(gòu)形成整體，避免出現(xiàn)不協(xié)調(diào)或沖突的情況。設(shè)計(jì)連接方式時(shí)，要考慮加固部位的受力特點(diǎn)和預(yù)應(yīng)力筋的布置，選擇適當(dāng)?shù)倪B接方式，確保加固后的結(jié)構(gòu)具有良好的整體性和穩(wěn)定性。同時(shí)，要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和分析，確保連接部位的強(qiáng)度和剛度滿足要求，避免出現(xiàn)因連接不牢固而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞或變形問(wèn)題。此外，要確保預(yù)應(yīng)力構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)的位置、尺寸和形狀相符合，避免出現(xiàn)不協(xié)調(diào)或不匹配的情況。在加固過(guò)程中，要進(jìn)行精密的測(cè)量和調(diào)整，確保預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的安裝位置準(zhǔn)確無(wú)誤，以確保加固后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[12]。

4 結(jié)語(yǔ)

公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜且關(guān)鍵的工程任務(wù)，旨在提高橋梁的承載能力和使用壽命，保障交通運(yùn)輸安全、暢通。預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)需要充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)際工況，合理選擇預(yù)應(yīng)力材料和加固方式，保證加固。同時(shí)，加固過(guò)程中需要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，監(jiān)測(cè)加固效果，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，以確保加固后的橋梁符合設(shè)計(jì)要求并能滿足使用需求。通過(guò)對(duì)橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)需求的分析可了解到，公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)對(duì)各方面的質(zhì)量要求比較高，因此在工作中還需要進(jìn)一步研究和探索，以不斷完善預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)的理論和方法，提高公路橋梁預(yù)應(yīng)力加固效果。