外预应力索在旧桥加固中的应用

2015-10-21卯明锋

基层建设 2015年9期

关键词：加固

卯明锋

摘要：预应力体外索加固梁式桥上部，是当其存在结构缺陷，尤其是承载能力不足或需提高其荷载等级，即需要对桥梁主要受力结构进行加固，可在梁体（梁底与梁两侧）设置钢筋、钢丝束或钢绞线，并施工预应力，以改善桥梁的受力状况，达到提高桥梁承载能力的目的。

关键词：连续刚构；体外索；加固

一、引言

随着国民经济的发展，我国交通事业也在快速发展，越来越多的重型车辆出现，桥梁负荷日趋加重。由于历史和资金的原因，我国大部分上个世纪修建的桥梁仍在使用，其设计荷载偏低、桥梁宽度偏小，这些桥梁已成为交通运输中的潜在隐患。对这些旧桥、危桥如要全部推倒重建，既不科学，也不经济，更不现实。所以，必须重视对旧桥、危桥的加固维修，提高其承载力及耐久性，研究有关的维修与加固方法是十分必要及迫切的。

二、体外预应力索加固技术简介

预应力体外索加固梁式桥上部，是当其存在结构缺陷，尤其是承载能力不足或需提高其荷载等级，即需要对桥梁主要受力结构进行加固，可在梁体（梁底与梁两侧）设置钢筋、钢丝束或钢绞线，并施工预应力，以改善桥梁的受力状况，达到提高桥梁承载能力的目的。

体外预应力系统由四个基本部分组成：体外预应力所（简称体外索）、锚固系统、转向装置及防腐系统。体外预应力系统的基本组成如图1所示。

体外预应力技术使用范围十分广泛，可以应用在新建的工程，更适用于旧桥结构的改造与加固。体外预应力索应用在旧桥加固工程中有以下优点：

1、与混凝土无粘结，由荷载产生的应力变化分散在预应力筋全长上，应力变化值小，对结构受力有利。

2、索力根据情况可以进行调整，预应力索可以更换，便于使用期间维护。

3、在自重增加很小的情况下可大幅度改善和调整原结构的受力状况，提高结构刚度和承载力。

4、施工快速，加固时不影响或少影响交通，较少交通压力。

5、体外预应力索在工厂定制，设备成套，质量有保证。

三、体外预应力加固设计计算步骤与方法

1、计算求出被补强构件提高荷载等级前所受荷载及其引起的内力。

2、计算提高荷载标准后的活载内力，并由恒载与活载的组合来验算加固的必要性。

3、由上面两项之差得出内力的提高值，估算出补强拉杆应有的横截面面积。

4、计算和确定拉杆所必须的张拉力和引伸量。

5、承载力验算。按设计规范验算被加固梁在跨中和支座截面的偏心受压承载力，以及支座至拉杆弯折处或支座范进的斜截面承载力。

6、计算确定施工中控制张拉时需要的控制量。

四、工程实例

该连续刚构桥于1994年10月建成通车，主桥跨径组合为（45+2×75+45）m，为预应力混凝土连续刚构梁桥；引桥为预应力混凝土简支T梁。桥面总宽18.0m，双向四车道，桥面布置为0.5m（防撞护栏）+17.0m（行车道）+0.5m（防撞护栏）。设计荷载：汽-20级，挂-100。

主桥上部结构变截面单向（纵向）预应力混凝土连续刚构桥，采用悬臂浇筑方法施工。上部箱梁分为左右幅采用单箱单室直腹板箱梁，左右幅翼缘板各预留0.5m现浇段，将左右幅相连成整体。箱梁根部梁高4.26m，跨中梁高2.18m，顶板宽9.0m，底板宽5.0m，悬臂2.0m。墩顶腹板厚50cm，跨中腹板厚20cm，腹板厚度渐变段长度50cm。箱梁顶板厚20cm，底板厚为20～60cm。

该桥竣工交付使用以来，大桥交通量增长迅速，由于养护不当，超载车较多等因素，主桥箱梁顶板底面存在众多纵向裂缝，主要集中在箱梁中线附近；箱梁内侧腹板幅腹板共发现多条斜向裂缝，大部分位于10#施工节段附近；箱外腹板发现斜向、竖向裂缝，未裂穿腹板；箱梁第14#～17#跨箱内横隔板均出现竖向裂缝，主要分布于横隔板人洞顶部。

根据桥梁现状病害情况，结合计算，找出病害产生的原因，有针对性的选用加固方案。

1、对原结构设计进行复核验算（按85规范）

1）、计算荷载

一期恒载：包括主梁。横隔板作为外部荷载考虑，不参与结构受力。

二期恒载：桥面铺装、防撞栏等。

本桥基础为钻孔灌注桩，连接墩按沉降1cm，主墩按沉降2cm计，取最不利沉降组合。

检算荷载：汽车-20级、挂车-100。

温度作用

（1）整体温差：升温15℃，降温20℃；

（2）局部温差：按桥面板范围内±5度考虑。

2）、计算结果

计算结果表明，原桥基本能85规范A类构件的要求。

（1）主梁各截面的内力均小于结构抗力，承载能力满足规范要求。

（2）主梁正应力、主应力均小于规范限值，满足A类预应力混凝土构件要求。

2、对现状桥梁复核验算（按85规范，温度梯度采用04规范，并考虑结构破损）

对现状桥梁复核验算是指根据检测报告结果和新规范（新规范对温度梯度的作用要求更高），考虑截面刚度折减和应力折减后对结构进行验算。

1）、计算荷载

检算荷载：汽车-20级、挂车-100。

温度作用

（1）整体温差：升温15℃，降温20℃；

（2）局部温差：按04规范梯度温度考虑。

2）、计算结果

（1）主梁各截面的内力均小于结构抗力，承载能力满足规范要求。

（2）法向拉应力在组合Ⅱ作用在，中跨跨中底板和边跨靠连接墩范围顶板拉应力达到4.0Mpa，不满足85规范要求（≤2.4Mpa）。

（3）主拉应力在荷载组合Ⅱ作用下，中間跨跨中底板和边跨靠连接墩范围顶板主拉应力达到4.0Mpa，不满足85规范要求（≤2.4Mpa）。另外10～12梁端附近主拉应力也较大。

上述两次计算结果表明：

（1）、最大主拉应力显著增大，主拉应力在跨中范围内较大，但与正应力方向相同。10～12号梁段附近主拉应力方向为斜向，且值较大，与结构实际发生裂缝的位置接近。

（2）、最大正拉应力显著增大。正拉应力主要发生在中间跨跨中底板和边跨靠近连接墩梁的顶板内。经查，与国内近期一些桥梁设计相比，原桥中跨底板束较弱，在边跨梁端附近顶板未设置顶板束。

（3）、计算结果变化方向相同，应力结果相差不大，应力增大基本是由温度梯度引起的。桥梁病害往往是多种因素造成的，规范体系只是其中之一，现场看该桥重车较多，桥面铺装多次维修，行车不够平顺；箱梁10～12号梁段处腹板设计厚度仅30厘米，没有腹板束，构造骗弱；桥梁顶底板厚度均偏小，截面整体刚度骗弱。在多种因素共同作用下，出现了10～12号梁段的斜裂缝。

根据以上分析可知，加固方案应从以下两个方面入手。

（1）、尽量减少温度梯度的影响，适当增加沥青铺装厚度。

（2）、采用合理的加固措施减小拉应力，施加体外束。注意体外束应尽量避免增加墩顶附近压应力较大区域的负担。

主桥箱梁体外索加固布置如图2所示

图2 体外预应力索布置图

体外索采用7根Φ15.24钢绞线组成一束的成品索，符合行业标准《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》（GB/T18365-2001）的规定。

4、加固方法及加固后验算

根据以上研究分析，主桥箱梁加固采用体外预应力束加固方法。本次考虑加固措施后采用85规范计算，荷载基本采用89通用规范体系，温度梯度采用04规范。计算考虑结构破损对承载力和应力影响，承载能力计算考虑了截面刚度折减，应力计算考虑了预应力折减。

结果如下：

计算表明，加固后主桥应力显著改善，荷载组合Ⅱ作用下中跨跨中底板和边跨靠连接墩范围顶板未出现拉应力，主拉应力降低到1.4Mpa，满足85规范的各项指标要求，梁体应力状况显著改善，达到预期的设计要求。

五、體外索施工

体外索均成直线布置，采用两端张拉，箱梁两侧对称张拉。钢束张拉采用张拉力与引伸量双控，以引伸量校核。张拉控制应力为0.65fpk=1209MPa。