有關(guān)道路橋梁預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的施工探討
2015-08-17
隨著我國交通量的不斷增加，為了適應(yīng)道路運輸載重量的要求，橋梁的混凝土開裂、剝落、衰變及鋼筋的銹蝕對橋梁造成的損害日益嚴(yán)重，需要大量的資金來維護(hù)或改建，以便提高既有橋梁的耐久性、及對缺陷橋梁進(jìn)行加固改造，延長其使用壽命。加上有一部分按照原有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)建成的橋梁，已經(jīng)不能滿足正常使用要求，嚴(yán)重阻礙了交通運輸業(yè)的發(fā)展。將舊橋危橋拆除重建的想法既不現(xiàn)實也不科學(xué)，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)是種十分有效的加固方法。
一、預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
道路橋梁結(jié)構(gòu)由于自然老化、自然災(zāi)害、設(shè)計局限、施工缺陷等因素，造成現(xiàn)有橋梁中的相當(dāng)一部分滿足不了使用上的要求。實踐經(jīng)驗證明，采用合理可靠的橋梁加固措施，對恢復(fù)和提高橋梁的承載能力及通行能力，延長其使用壽命，是非常合理和可行的。由于體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)具有結(jié)構(gòu)自重輕，預(yù)應(yīng)力筋替換、維護(hù)方便，預(yù)應(yīng)力損失和應(yīng)力變化幅度小，施工工期短，混凝土質(zhì)量高、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點，已被廣泛地應(yīng)用于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的加固維修。
體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是后張預(yù)應(yīng)力體系的分支，它對置于混凝土截面之外的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，通過體外筋端部錨具和轉(zhuǎn)向塊將預(yù)應(yīng)力傳遞給混凝土結(jié)構(gòu)。利用張拉預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的內(nèi)力來抵消控制截面處的部分或全部恒、活載內(nèi)力，實質(zhì)是對結(jié)構(gòu)控制截面進(jìn)行卸載。相對于被動加固法的增大截面加固法，體外預(yù)應(yīng)力加固梁身自重增加很少，但能大幅改善調(diào)整原有結(jié)構(gòu)的受力情況，提高承載力和抗裂性能，對橋墩及基礎(chǔ)影響也很小，同時對橋梁交通影響不大，可節(jié)約維護(hù)成本。體外預(yù)應(yīng)力加固法與梁底增焊鋼筋的加固方法相比，不需清鑿混凝土保護(hù)層，且損傷梁體程度小，加固時不影響或少影響交通，能恢復(fù)或提高橋梁的荷載等級，經(jīng)濟(jì)效果較明顯。但對于梁體外的預(yù)應(yīng)力筋和有關(guān)構(gòu)件應(yīng)采取切實有效的防護(hù)措施，否則在溫度、腐蝕等外界條件作用下，容易造成預(yù)應(yīng)力筋斷裂而使加固工作失敗體外預(yù)應(yīng)力加固梁式橋，實際上亦是改變了梁體原有受力體系的加固方法。
二、體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的構(gòu)造分析
體外預(yù)應(yīng)力是指對布置于承載橋梁結(jié)構(gòu)本體之外的鋼束張拉而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。設(shè)計時僅把鋼束錨固區(qū)域設(shè)置在橋梁結(jié)構(gòu)本體內(nèi)，轉(zhuǎn)向塊可設(shè)在橋梁結(jié)構(gòu)體內(nèi)或體外。體外預(yù)應(yīng)力體系由管道、漿體、錨固體系和轉(zhuǎn)向塊等部件組成。體外預(yù)應(yīng)力體系分為有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系和無粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系是將鋼鉸線穿入孔道內(nèi)張拉后，向孔道管內(nèi)灌入水泥漿。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的體外預(yù)應(yīng)力筋由若干單根無粘結(jié)筋組成，將單根無粘結(jié)筋平行穿入管內(nèi)，張拉之前，先完成灌漿工藝，由水泥漿體將單根無粘結(jié)筋定位，張拉后不灌入水泥漿。根據(jù)受力特點，分為施加預(yù)應(yīng)力階段和活載作用兩個階段進(jìn)行受力分析。
體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在施加預(yù)應(yīng)力階段，應(yīng)先將斜筋和滑塊相連接，并固定斜筋的上端。在張拉水平拉桿時，由于千斤頂?shù)耐屏ψ饔檬沽旱變苫瑝K產(chǎn)生相向滑動，這種相向滑動使得斜筋受拉并伸長，同時在滑塊和墊板之間產(chǎn)生豎向壓力和摩阻力，直到水平筋的拉力達(dá)到控制值。斜筋產(chǎn)生的水平分力對梁施加偏心壓力，其豎向分力則對梁體產(chǎn)生負(fù)彎矩和負(fù)剪力。這些預(yù)加力使梁體內(nèi)儲備了一部分抗力，可以部分地抵消外荷載引起的內(nèi)力，從而提高原梁的承載力。
體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在活載作用階段，活載作用時，梁體產(chǎn)生彎曲變形，水平筋中的拉力增加，并使斜筋中的拉力、墊塊對梁體的正壓力及摩阻力均發(fā)生變化。由于體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式不同，特別是滑塊的構(gòu)造不同，直接影響各拉桿內(nèi)力增量間的平衡關(guān)系。如按有水平移動的滑塊或無滑塊情況考慮，取滑塊為隔離體。
三、預(yù)應(yīng)力技術(shù)在加固橋梁中的應(yīng)用研究
1、體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)特點
?。?）能在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)檢測、維護(hù)和更換；
（2）由于預(yù)應(yīng)力筋與混凝土截面分離，既提高了混凝土本身的施工質(zhì)量，又方便了預(yù)應(yīng)力束的施工，并提高其施工質(zhì)量；
?。?）束形簡單，摩阻損失小。
體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)具有以上特點，而在橋梁加固中得到廣泛的應(yīng)用。
2、體外預(yù)應(yīng)力加固方法的特點
（1）能較大幅度提高或恢復(fù)橋梁的承載能力和抗裂度，加固效果明顯；
?。?）施工工藝簡單、干擾交通少、所需設(shè)備簡單、人力投入少、工期短、經(jīng)濟(jì)效益明顯；
?。?）對原結(jié)構(gòu)損傷小，可做到不影響橋下凈空，不增加路面標(biāo)高；
?。?）預(yù)應(yīng)力加固需要可靠的防腐措施。
3、體外預(yù)應(yīng)力加固的力學(xué)特點
預(yù)應(yīng)力加固方法實際上是使被加固結(jié)構(gòu)成為一個帶柔性拉桿的超靜定結(jié)構(gòu)，與其它預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或其它加固方法不同的是：加固前橋梁所受荷載由恒載和活載組成，預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制值是在上部結(jié)構(gòu)的恒載作用下讀取的，即帶載加固。因此在計算預(yù)應(yīng)力筋荷載作用下的應(yīng)力增量時，應(yīng)僅考慮活載的作用。另外應(yīng)注意，對于體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，任一截面處預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變變化值與該處混凝土的應(yīng)變變化值并不相同，類似于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。
4、體外預(yù)應(yīng)力加固的適用條件
?。?）適用于正截面受彎承載力不足或正截面受拉區(qū)鋼筋銹蝕的情況；
?。?）適用于梁抗彎剛度不足導(dǎo)致梁的撓度超過規(guī)范規(guī)定，或由于剛度太小導(dǎo)致梁的受拉區(qū)裂縫寬度超過規(guī)范規(guī)定的情況；
?。?）適用于梁斜截面受剪承載力不足的情況。
5、體外預(yù)應(yīng)加固的不利影響
?。?）預(yù)應(yīng)力加固完成后，由于預(yù)應(yīng)力的作用，原來的受力結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度的卸載現(xiàn)象，導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)發(fā)生內(nèi)力重分布；
?。?）由于預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向塊和錨固點處存在巨大的集中力，這一區(qū)域的受力比較復(fù)雜；
?。?）由于預(yù)應(yīng)力筋一般布置在梁截面外部，易受環(huán)境（如溫度、酸性氣體等）的影響；
?。?）預(yù)應(yīng)力筋一般不能參與局部裂縫控制。
四、預(yù)應(yīng)力施工中的主要問題及措施探討
目前國內(nèi)外使用的預(yù)應(yīng)力鋼材主要有預(yù)應(yīng)力鋼筋、冷拉預(yù)應(yīng)力鋼絲、矯直回火預(yù)應(yīng)力鋼絲、低松弛預(yù)應(yīng)力鋇絲、普通預(yù)應(yīng)力鋼絞線和低松馳鋼絞線。作為預(yù)應(yīng)力鋼材最新一代的低松弛鋼絞線由于其高效、經(jīng)濟(jì)、施工方便，使建筑構(gòu)件輕薄美觀的優(yōu)點，已大量使用在世界各地最重要的建筑工程上。
預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力體系的設(shè)計通常采用OVM和XYM體系。該體系的頂板縱向鋼束均采用平豎彎曲相結(jié)合的空間曲線，集中錨固在腹板頂部承托上，底板鋼束則盡可能靠近齒板處錨固。這樣布束使預(yù)應(yīng)力具有最大力臂，較大限度地發(fā)揮力學(xué)效應(yīng)，同時由于布束接近腹板，預(yù)應(yīng)力以較短的傳力路線分布在全截面上。頂板束錨固在承托中，不需設(shè)置復(fù)雜的齒板構(gòu)造，使箱梁尺寸完全由受力需要來控制設(shè)計。頂、底板鋼束在平面上按同樣的S線型錨固于設(shè)計位置上，可以消除集中錨固點產(chǎn)生的橫向力。
在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中，通常是根據(jù)經(jīng)驗先假定預(yù)應(yīng)力鋼束的分布圖，而后進(jìn)行應(yīng)力分析，檢查結(jié)構(gòu)各部截面的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)不能滿足要求時，則改進(jìn)鋼束分布，經(jīng)過多次嘗試，得到滿足應(yīng)力要求的鋼束分布圖。所以說，預(yù)應(yīng)力筋、預(yù)應(yīng)力錨具和預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計歸根到底取決于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的分析。
后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力筋的防腐蝕問題及與結(jié)構(gòu)混凝土的共同工作問題是通過壓力灌漿充滿預(yù)應(yīng)力筋預(yù)埋孔道和預(yù)應(yīng)力筋之間的空隙予以解決的，當(dāng)后張預(yù)應(yīng)力筋處于非水平的傾斜狀態(tài)、多跨度彎曲狀態(tài)時，水泥漿的泌水蒸發(fā)后形成無水泥漿存在的空間，使該處的預(yù)應(yīng)力筋失去保護(hù)。而預(yù)應(yīng)力筋在高應(yīng)力狀態(tài)下對腐蝕損壞相當(dāng)敏感，造成預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕部位斷面缺損，影響預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。因此，灌裝質(zhì)量的好壞直接影響到預(yù)應(yīng)力筋的防腐蝕性能、預(yù)應(yīng)力構(gòu)筑物的安全性能和耐久性能。所以在預(yù)應(yīng)力孔道灌漿施工中，針對質(zhì)量問題：孔道中水泥漿未充滿，有空隙；水泥漿體硬化后收縮與孔道壁分離；水泥漿硬化后強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求進(jìn)行重點解決。
五、結(jié)語
公路橋梁加固技術(shù)是21世紀(jì)公路橋梁施工領(lǐng)域發(fā)展速度最快、用途最廣的一門科學(xué)技術(shù)?，F(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)推動了土木工程的快速發(fā)展，同時也為橋梁加固提載提供了一種主動的、有效的技術(shù)和方法，較大幅度地提高了構(gòu)件的承載能力。因而加速我國舊橋加固或改造技術(shù)的研究，不僅能更好地、及時地為現(xiàn)代交通運輸服務(wù)，而且能為國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益和社會效益，具有廣闊的發(fā)展前景。
