橋梁加固維修體外預(yù)應(yīng)力施工探討
2015-09-14
1 引言
近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)得到了蓬勃的發(fā)展，交通量和交通荷載越來(lái)越大，使得上世紀(jì)七八十年代所興建的大多數(shù)橋梁都不能滿(mǎn)足當(dāng)前交通運(yùn)輸?shù)男枰?。同時(shí)，由于使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)缺陷、施工質(zhì)量等多方面的原因，很多橋梁在建成投入使用后都或多或少的出現(xiàn)損壞，造成耐久度下降、承載能力不足等原因，嚴(yán)重影響行車(chē)安全和交通運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行。但是，由于資金、材料、交通等各方面的原因，要將這些橋梁橋梁拆除重建并不現(xiàn)實(shí)，因此多采用加固維修的方法來(lái)增加橋梁承載能力，改善橋梁結(jié)構(gòu)耐久性能。目前所采用的橋梁加固維修技術(shù)有橋面加厚加固法、鋼反粘貼加固法、纖維粘貼加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化加固法等，其中以體外預(yù)應(yīng)力加固縱法最為簡(jiǎn)單易行，且能有效提高橋梁承載能力，改善橋梁使用性能。下面，本文就體外預(yù)應(yīng)力加固法在橋梁維修加固中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以供同行借鑒。
2 體外預(yù)應(yīng)力加固法作用機(jī)理
體外預(yù)應(yīng)力加固法是通過(guò)在橋梁梁體外布設(shè)拉桿或撐桿與被加固梁體錨固聯(lián)結(jié)，再施加預(yù)應(yīng)力強(qiáng)迫拉桿或撐桿受力改變橋梁原結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，降低其應(yīng)力水平，從而提高結(jié)構(gòu)總承載能力的方法。這種方法可以有效的減輕結(jié)構(gòu)變形，縮小裂縫寬度。目前，下?lián)问嚼瓧U加固法是體外預(yù)應(yīng)力最常用的一種加固方法，這種加固方法可將簡(jiǎn)支梁視為上承桁架梁，桁架上弦為原結(jié)構(gòu)主梁，下弦為新增設(shè)的水平拉桿，腹桿則為新增設(shè)的斜拉桿，與梁體接觸的墊塊則為豎桿。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，新增設(shè)的體外拉桿能同原有梁體共同受力，形成超靜定體系，并使各拉桿張拉力增加進(jìn)一步加強(qiáng)梁體。與其它橋梁加固維修方法相比，體外預(yù)應(yīng)力加固法對(duì)梁體損傷程度小，施工時(shí)對(duì)交通影響小，且能大幅度提高舊橋承載能力，恢復(fù)甚至提高橋梁荷載等級(jí)，但其預(yù)應(yīng)力鋼筋及有關(guān)構(gòu)件容易在溫度、腐蝕等外界條件作用下造成斷裂損壞，因此應(yīng)采取切實(shí)有效的防護(hù)措施，以免加固失敗。
3 體外預(yù)應(yīng)力加固法設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1 體外預(yù)應(yīng)力加固法設(shè)計(jì)思路
在采用體外預(yù)應(yīng)力法進(jìn)行橋梁加固維修前，必須進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。在加固維修結(jié)束之后，預(yù)應(yīng)力拉桿和構(gòu)件，與舊橋梁體等構(gòu)件將會(huì)形成一個(gè)整體共同受力，因此實(shí)際上預(yù)應(yīng)力拉桿和構(gòu)件同舊橋梁板組成了一個(gè)新的復(fù)合體系，改變了原有結(jié)構(gòu)的靜力狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)的性能和受力特征同后張法無(wú)粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)極為相似，張拉預(yù)應(yīng)力作用于原梁上，原梁承受著恒載內(nèi)力，而張拉預(yù)應(yīng)力筋則在原梁上產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力內(nèi)力，與恒載內(nèi)力相反，起到卸荷作用。
梁在外載作用下發(fā)生撓曲時(shí)，梁中原有鋼筋會(huì)隨原梁曲率增加伸長(zhǎng)，此時(shí)如果所張拉的預(yù)應(yīng)力筋僅在錨因點(diǎn)同原梁接觸，其中間部位實(shí)際上與梁體是脫離的，不會(huì)隨之發(fā)生彎曲，其應(yīng)變和應(yīng)力的增加不如梁體鋼筋快，如果梁體發(fā)生破壞，預(yù)應(yīng)力筋將不能迅速達(dá)到屈服強(qiáng)度。如果將預(yù)應(yīng)力筋同梁體澆筑在一起構(gòu)建成整體梁，此時(shí)預(yù)應(yīng)力筋將會(huì)與原梁共同變形，當(dāng)梁體荷載增加時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋會(huì)同梁體應(yīng)力同時(shí)增大，當(dāng)梁體產(chǎn)生破壞時(shí)可以同時(shí)達(dá)到屈服，其受力特性與一般預(yù)應(yīng)力混凝土梁相當(dāng)。
3.2 體外預(yù)應(yīng)力加固法計(jì)算步驟
在進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，首先需要計(jì)算出待補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件在提高荷載前所受的荷載和因此產(chǎn)生的內(nèi)力，其計(jì)算方法與橋梁設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算方法相同，包括恒載和活載兩部分，同時(shí)根據(jù)需提高的荷載標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出提高后的活載內(nèi)力，驗(yàn)算加固必要性。在此基礎(chǔ)上，以?xún)身?xiàng)之差計(jì)算出內(nèi)力提高值，獲得加固維修后所產(chǎn)生的抵抗力矩和剪力等數(shù)據(jù)，估算預(yù)應(yīng)力拉桿所需的橫截面面積，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法分析計(jì)算并確定拉桿的張拉力與伸長(zhǎng)量。最后，還需按設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)承載力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算時(shí)應(yīng)當(dāng)將拉桿所產(chǎn)生的效應(yīng)視為外力，同全部荷載作用進(jìn)行偏心受壓分析，如果驗(yàn)算結(jié)果無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范需求，需要采用加大拉桿截面或更換加固方案。
4 體外預(yù)應(yīng)力維修加固構(gòu)造分析
4.1 體外預(yù)應(yīng)力維修加固結(jié)構(gòu)體系和截面形式
從施工方法上來(lái)看，體外預(yù)應(yīng)力維修加固屬于后張法，因此多采用后張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行施工，如簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)體系。采用體外預(yù)應(yīng)力維修加固方法，適用于多種截面形式，包括閉口截面、開(kāi)口截面、三角形截面、箱形截面等。開(kāi)口截面鋼索布置于混凝土外，在應(yīng)用時(shí)需要考慮外界活動(dòng)對(duì)鋼索的不良影響，有用相應(yīng)的防護(hù)措施。閉口截面一般通過(guò)箱內(nèi)橫梁錨固預(yù)應(yīng)力筋，利用轉(zhuǎn)向塊調(diào)整外索方向和受力需求。箱形截面具有較好的抗彎和抗扭性能，其預(yù)應(yīng)力筋布置于截面外，因此截面頂板、底板、腹板尺寸可以更好的根據(jù)構(gòu)件受力要求確定，不用考慮預(yù)留管道。
4.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋、管道以及灌漿材料
體外預(yù)應(yīng)力加固維修所采用的預(yù)應(yīng)力鋼筋通常采用鋼絞線(xiàn)構(gòu)成，包括普通鋼絞線(xiàn)、鍍鋅鋼絞線(xiàn)、PE防護(hù)單根無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)等。管道主要起防腐作用，有鋼管道、高密度聚乙烯管道等方式。灌漿材料有剛性灌漿材料和非剛性灌漿材料兩種，剛性灌漿材料通常為水泥，非剛性灌漿材料則多為油脂、石蠟等。水泥等剛性灌漿材料適用于存在離散粘結(jié)以及完全無(wú)粘結(jié)的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，油脂、石蠟等非剛性灌漿材料則常用于普通鋼絞線(xiàn)和鋼制管道組成的體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)中，以滿(mǎn)足鋼索同結(jié)構(gòu)無(wú)粘結(jié)的需求。
4.3 體外預(yù)應(yīng)力維修加固技術(shù)錨固系統(tǒng)
錨固系統(tǒng)在整個(gè)體外預(yù)應(yīng)力維修加固結(jié)構(gòu)體系中，是最為關(guān)鍵的部分，體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)僅通常有限的轉(zhuǎn)向點(diǎn)、錨固處同結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，預(yù)應(yīng)力完全依靠錨具傳遞，一旦錨具失效則整個(gè)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生災(zāi)難性后果，因此必須獲取規(guī)定的靜力和動(dòng)力強(qiáng)度，保證錨具下混凝土支承能力符合規(guī)范限值。根據(jù)外索使用特點(diǎn)，錨具分為永久式和可調(diào)式兩大類(lèi)，永久式錨具適合于體外預(yù)應(yīng)力鋼筋同混凝土存在局部粘結(jié)的結(jié)構(gòu)之中?？烧{(diào)式錨具分為不可重復(fù)張拉和可重復(fù)張拉兩種，多采用大直徑預(yù)埋鋼管將鋼絞線(xiàn)同混凝土全分開(kāi)，利用工作錨板和螺母?jìng)鬟f錨固力。
