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，以兩項(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、開口截面、三角形截面、箱形截面等。開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構(gòu)成，包括普通鋼絞線、鍍鋅鋼絞線、PE防護(hù)單根無(wú)粘結(jié)鋼絞線等。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和鋼制管道組成的體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)中，以滿足鋼索同結(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，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。可調(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)埋鋼管將鋼絞線同混凝土全分開，利用工作錨板和螺母?jìng)鬟f錨固力。
