体外预应力加固技术在某连续板梁中的工程应用

所属栏目：物理论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:166

　　摘要：体外预应力加固技术是一种受力途径明确，可显著提高承载力的加固方式。本文结合工程实例,提出了水平力筋布置形式下加固某板梁的设计与施工方法，对该桥使用寿命的延长具有一定的意义。

　　关键词：桥梁加固，体外预应力，设计，施工

　　1、概述

　　在桥梁建设飞速发展的今天,上个世纪修建的许多公路陆续地进入了维修期,对已经出现严重病害且不能满足实际交通需求的桥梁，急需采取工程措施进行加固或改造。常见加固方法有体外预应力加固技术、粘贴钢板加固技术、增大构件截面加固技术、裂缝修补加固技术等。本文拟通过工程实例介绍体外预应力加固技术在预应力混凝土连续板梁中的应用。

　　体外预应力加固法是采用外接预应力钢拉杆对结构构件进行加固的方法，改变原结构内力分布并降低原结构应力水平，使一般加固结构中所有的应力应变滞后现象得以完全消除，因此，后加部分与原结构能较好地共同工作，结构的总体承载力可显著提高。体外预应力加固根据加固目的及被加固结构受力要求的不同分为直线式、折线式、曲线式等拉杆布置方式。【1】本文工程实例采取的是直线式。

　　2、工程概况

　　某预应力混凝土连续整体空心板桥，跨径布置为20m+3×25m+20m，板厚1.3m，分左右两幅。左幅板顶板包括翼缘宽13.5m，底板宽9.2m;右幅板顶板包括翼缘宽17.5m，底板宽12.53m。板内横梁设在墩顶处，其构造宽度同主梁。桥面纵向为平坡，横向为2%双向横坡。桥墩采用柱式墩，基础为钻孔灌注桩。支座采用GPZ系列盆式橡胶支座。主梁采用满布支架整体现浇施工，逐次形成连续体系。本桥于2000年5月竣工。经2007年检测，其重点病害发生在第三跨，主要表现为第三跨出现了多条横向通长裂缝，最大缝宽达0.22mm，该缝位于正弯矩较大的跨中部位。该跨的钢筋锈蚀测试结果表明构件试验区域内钢筋有锈蚀活动性。静载试验表明结构等效设计荷载作用下，所测应变残余值较大，挠度残余值基本满足相关规定及要求，结构测试跨弹性恢复能力略有所降低。

　　2.1加固方案分析

　　(1) 复核验算

　　本次验算仅对出现重点病害的左幅进行分析。模型计算采用平面杆系理论，连续板梁采用平面梁单元。全桥共划分为115个单元。按1985规范和原桥设计标准，考虑了汽车荷载、挂车荷载、温度力、支座沉降、混凝土收缩徐变等荷载组合进行计算。计算结果表明，原设计在正常使用极限状态，第三跨跨中截面下缘在最不利荷载组合下将出现3.04Mpa的拉应力值(图1)，远大于规范容许值2.34Mpa，混凝土将出现开裂。根据开裂截面的名义拉应力计算公式(《桥规》第5.2.33条)计算得此时名义拉应力已达3.68Mpa，超出容许拉应力值的57%。

　　(2) 病害分析

　　验算结果表明，本桥左幅第三跨在最不利荷载组合下跨中截面下缘出现了较大的拉应力值，不满足规范要求。同时，计算结果进一步证实了第三跨底板出现的横向裂缝是受力裂缝。再结合检测结果发现，该跨内钢筋已有锈蚀活动，残余应变较大，说明该跨的整体刚度已出现较大下降，预应力储备明显不足。

　　为此，我们认为加固此桥应从补充该跨预应力储备着手。故经过多方必选，拟采用梁底增设有粘结体外预应力对正截面进行加固补强，以增强梁的抗裂性和提高抗弯承载能力。

　　2.2加固方案及效果分析

　　经多方案比选，决定采用在跨中24m范围的梁底板上增设90根φj10.8的三股钢铰线，见图2～3。预应力筋采用小型千斤顶张拉。预应力筋按顺桥向对称顺序张拉，以保证均匀受力。为保护预应力钢束及锚头，特选用高性能抗拉复合砂浆作为体外预应力束的保护层。因此，当预应力筋张拉完毕后，应在预应力筋和锚头范围内喷注高性能抗拉复合砂浆(HTCM)。预应力筋布置区段，喷注一层30mm厚，锚固区喷注二层共60mm厚，过渡段做成斜坡。针对#p#副标题#e#此方案，采用MIDAS软件进行加固效果分析。

　　(1) 建模

　　 模型中材料参数及荷载取值同原设计模型;

　　 体外预应力筋的材料参数如下：

　　 体外预应力筋采用先张法，钢绞线采用 低松弛钢绞线(1×3股)，抗拉标准强度fpk=1470MPa，每根的面积为177.9mm2，张拉控制应力取 =0.55fpk=0.55×1470=808MPa。

　　 高性能抗拉复合砂浆的材料参数

　　在此次加固计算中，为偏安全考虑，暂忽略梁底喷射的高性能抗拉复合砂浆之抗拉性能，只将其作为静力荷载，列入二期恒载范围，取其容重为20kN/m3。

　　(2) 计算结果

　　• 正常使用极限状态应力验算

　　从图4可以看出，在采取了增加体外束的措施后，第三跨主梁截面下缘已从最大拉应力3.04Mpa降低到0.02Mpa的拉应力，降幅达99.3%，该跨主梁下缘已基本不存在拉应力，加固效果显著。

　　• 承载能力极限状态验算

　　根据表1可见，当第三跨施加了体外预应力后，除第四跨弯矩值略有增加外，其它各跨弯矩值均有所下降，且各跨值远小于规范容许值。

　　(3) 加固措施验算

　　预应力筋产生水平合力： F=808×103×59.3×10-6×90=4320kN;

　　锚栓抗剪力合计： F=182×(π×122/4×10-6)×320×103=6584kN

　　垂直于焊缝长度方向应力： σ=4320×103/(9200-190-46×10)=49N/mm2

　　不考虑焊缝应力方向的角焊缝验算：(σ2+τ2)0.5=49N/mm2

　　预应力水平拉力远远小于锚栓抗剪力，不会被拉开;焊接应力远小于焊缝抗拉抗剪设计值。

　　经上述计算分析可见，左幅第三跨主梁底板采用张拉预应力钢筋并锚喷高强抗拉复合砂浆的加固措施，使预应力筋形成有粘结预应力钢筋，和主梁一起共同承担桥面二期恒载及活载作用，有效提高了主梁的抗弯性能及抗裂性能。

　　3、结论

　　通过对该桥的加固效果分析，可以得出如下结论:

　　(1) 体外预应力技术采用现有施工手段即可实现,加固方法易于被工程单位所接受,为今后类似病害桥梁补强及承载潜力的提高提供了较好的参考。

　　(2) 适量的增加体外预应力，可补充预应力储备的不足，使得结构断面恢复了一定的压应力储备，对已开展的裂缝起到抑制作用。

　　(3) 体外预应力技术用于桥梁加固可以保证结构的整体性,新旧体系协同工作良好，克服了其他方法加固时加固材料存在的应力滞后问题,而且采用体外索加固桥梁可以不影响通车。

　　(4) 由于梁内缺陷和损伤的存在,其内力或应力已然发生重分配,结构的强度和刚度难以准确把握。实践证明,在加固施工过程中采取有效的监测措施来确保结构的安全是必要的。

　　参考文献

　　1.张劲泉、王文涛，桥梁检测与加固手册[M]，人民交通出版社，2007;

　　2.张树仁、王宗林，桥梁病害诊断与改造加固设计[M]，人民交通出版社，2006;

　　3. 廖放明、李德慧、 王国安,体外预应力技术及其在桥梁工程中的应用综述[J],中外公路，2005(2)