箱梁體外預應(yīng)力加固效果的分析
2015-06-23
0、引言
目前，國內(nèi)一些重要高速公路交通運輸日益繁忙，經(jīng)過多年運營，在交通量不斷增加和超載車輛的作用下，部分橋梁出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)性病害，有必要進行處治加固。文中以深圳梅觀高速公路改擴建工程中某座鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋為例，著重研究在采用體外預應(yīng)力加固前、后箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力及承載力的變化情況，說明體外預應(yīng)力加固效果的可行性及實用性。
1、橋梁概況
該橋上部結(jié)構(gòu)為（20+30+20）m的現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，箱梁梁高1.7m，單箱雙室斷面，頂板寬度為12.0m，底板寬度為7.6m，懸臂長度為2.0m，箱梁腹板厚度為30～50cm，箱梁跨中截面頂板厚度25cm、底板厚度20cm。原橋設(shè)計荷載為汽－超20，掛－120。
經(jīng)過多年運營，各跨底板在橋跨1/4～3/4范圍內(nèi)均有橫橋向裂縫產(chǎn)生，縫寬基本介于0.05～0.20mm之間，最大縫寬達0.32mm，縫長基本介于0.20～2.00m之間，裂縫間距介于0.10～0.80m之間，部分裂縫延伸至腹板；另外，腹板除與底板連通的裂縫外，還有大量豎向裂縫，裂縫寬度基本介于0.05～0.20mm之間，最大縫寬達0.45mm，縫長介于腹板高度的1/3～2/3之間，少量裂縫豎向貫通腹板。
2、橋梁上部結(jié)構(gòu)主要病害成因分析
本橋上部為鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，主跨跨徑為30m，梁高為1.7m，梁高偏低。承載能力計算結(jié)果顯示箱梁跨中抗彎承載能力不足，因而導致跨中區(qū)域產(chǎn)生大量橫向裂縫；底板橫向裂縫繼續(xù)沿伸至腹板，造成腹板豎向開裂。
3、加固思路
通過在箱梁腹板外側(cè)布置齒板及轉(zhuǎn)向塊，增設(shè)體外預應(yīng)力鋼束，在體外預應(yīng)力鋼束張拉完畢后，澆筑腹板加厚段增大箱梁截面來提高箱梁的承載力。
預應(yīng)力鋼束設(shè)置在箱梁邊腹板外側(cè)，N1、N2鋼束兩端分別錨固于距梁端1.3m處箱梁腹板上，每側(cè)腹板均設(shè)置2根5Φs15.2mm的體外預應(yīng)力鋼束；N3鋼束兩端分別錨固于中跨距中墩1m處箱梁腹板上，每側(cè)腹板均設(shè)置1根5Φs 15.2mm的體外預應(yīng)力鋼束；全橋N1、N2、N3共6根鋼束。
4、計算分析
?。?）有限元建模
采用橋梁通用有限元綜合程序MIDAS Civil 7.41進行分析，建立空間梁格有限元模型。
加固前、后結(jié)構(gòu)計算模型圖。
主要計算參數(shù)及荷載組合
表1 主要計算參數(shù)
40號混凝土彈性模量 3.3×104Mpa
采用溫度梯度 升溫梯度T1=14℃、T2=5.5℃；降溫梯度T1=-7℃、T2=-2.75℃
支座沉降 0#、3#臺考慮6.7mm，1#、2#墩考慮8.3mm
組合Ⅰ 恒載（結(jié)構(gòu)重力）+汽車
組合Ⅱ 恒載（包括結(jié)構(gòu)重力、混凝土收縮及徐變影響力、基礎(chǔ)變位影響力）+汽車+溫度影響力
組合Ⅲ 恒載（結(jié)構(gòu)重力）+掛車
?。?）加固前箱梁內(nèi)力計算
經(jīng)計算，加固前，在承載能力極限狀態(tài)最不利荷載組合下箱梁彎矩圖如下。
?。?）加固后箱梁內(nèi)力計算
經(jīng)計算，加固后，在承載能力極限狀態(tài)最不利荷載組合下箱梁彎矩圖如下。
（4）箱梁控制截面抗彎承載能力驗算
本橋體外鋼束張拉控制應(yīng)力?。?1116MPa，同時應(yīng)考慮體外鋼束在張拉過程中的預應(yīng)力損失。
加固后抗彎承載力采用以下公式計算：
其中，體外索的水平鋼束極限應(yīng)力按下式計算：
其中，C為截面中性軸到混凝土受壓區(qū)頂面的距離，其它參數(shù)定義參見參考文獻1。
箱梁控制截面承載能力計算結(jié)果。
加固前 彎矩(kN.m) Mu Mj Mu/Mj
邊跨跨中 15067.8 15474.6 0.97
中跨跨中 20748.3 25302.8 0.82
中支點 29152.3 31352.2 0.93
加固后 彎矩(kN.m) Mu Mj Mu/Mj
邊跨跨中 17666.2 16549.3 1.07
中跨跨中 31212.8 27868.6 1.12
中支點 31130.5 29025.2 1.07
5、計算結(jié)果分析
?。?）驗算結(jié)果表明，加固后箱梁跨中截面彎矩較加固前有所增大，支點截面彎矩較加固前有所減小，箱梁控制截面承載能力顯著提高。加固后箱梁控制截面抗彎承載能力滿足規(guī)范要求，中跨跨中截面抗彎承載能力安全系數(shù)為1.12，邊跨跨中截面抗彎承載能力安全系數(shù)為1.07。
?。?）張拉體外預應(yīng)力在結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生次內(nèi)力，導致箱梁跨中截面內(nèi)力較加固前有所增大，所以在進行體外預應(yīng)力設(shè)計時，要反復對比試算，在滿足構(gòu)造要求的前提下，盡量使次內(nèi)力最小，同時保證最有效地提高結(jié)構(gòu)承載能力。
6、結(jié)束語
?。?）與粘貼鋼板、粘貼纖維材料等加固方法相比，增設(shè)體外預應(yīng)力屬主動加固，可有效提高結(jié)構(gòu)的承載力，同時配合增大截面加固法可提高結(jié)構(gòu)剛度，改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，是目前針對混凝土梁橋的一種有效加固方法。
?。?）采用體外預應(yīng)力對箱梁進行加固時，鋼束錨固點橫橋向應(yīng)盡量靠近頂板與腹板的倒角處布置，縱橋向應(yīng)盡量靠近箱梁端橫梁及中橫梁處布置，這些位置結(jié)構(gòu)剛度較大，便于預加力的傳遞。如將錨固點布置在較為薄弱的中間腹板斷面位置，在體外預應(yīng)力鋼束張拉力的作用下，錨固點附近原箱梁腹板混凝土會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。
?。?）體外預應(yīng)力加固對施工工藝要求較高，應(yīng)在體外預應(yīng)力加固施工期間對結(jié)構(gòu)控制截面的應(yīng)力和變形等進行施工監(jiān)控，以保證結(jié)構(gòu)和施工安全。
