体外预应力加固技术在桥梁结构加固中设计研究分析

2016-11-16杨媛媛

城市道桥与防洪 2016年10期

关键词：钢绞线张拉预应力

杨媛媛

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088）

体外预应力加固技术在桥梁结构加固中设计研究分析

杨媛媛

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088）

体外预应力技术具有施工简单、结构可靠、造价经济等优点,在新建的桥梁结构中得到广泛应用。大量的旧桥由于钢筋锈蚀以及超载等因素的影响,结构产生裂缝或变形过大,或者由于公路桥梁荷载提级的要求需要进行加固。介绍体外预应力加固桥梁结构体系的构造、体外预应力转向装置配筋设计及质量监控技术措施。

桥梁；体外预应力加固设计；锚固系统

1　概述

体外预应力系统主要包括：体外预应力孔道管、浆体、体外钢束、锚固系统、预应力筋减振系统、预应力筋的转向装置。体外预应力技术经过近20多年的发展，目前已经形成了两种主要体系。体系一：将钢绞线穿入孔道管内进行钢绞线的张拉，钢绞线张拉完成后，将孔道内灌入水泥浆，这种方法称为有黏结体外预应力体系；体系二：体外预应力筋由若干单根无黏结筋组成，将单根无黏结筋平行穿入孔道内，在张拉无黏结筋之前，先完成灌浆工艺，由水泥浆体将单根无黏结筋定位，然后进行无黏结筋的张拉。这种体系称为无黏结体外预应力体系。

体外预应力系统中各组成部分一般应满足如下要求：

（1）体外预应力筋宜选用高强度低松弛预应力钢绞线，其性能应符合现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224-2014）的规定，如体外预应力筋为无黏结的体外预应力筋还应符合《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）第7.10节的要求。

（2）体外预应力筋的其他材料（保护套、防腐浆体等）应符合现行国家、行业的有关标准，防腐油脂质量应符合《无黏结预应力筋专用防腐润滑脂》(JG 3007-93)的规定，水泥基浆体质量应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204-2002)的规定）。

（3）防腐蚀材料的耐久性与体外束所处的环境类别和使用年限一致；防腐蚀材料在加工、运输、安装、张拉工程中应具有稳定性、柔性，不产生裂缝，在所要求的温度范围内不流淌，不对钢绞线产生腐蚀作用。

（4）体外预应力束外套管和连接接头，应完全密闭防水，套管应能承受1 MPa的内压，在使用期内具有良好的耐久性。

（5）转向块的偏角制造误差应小于1.20，安装误差应小于±5%，否则应采用可调节转向块。

随着新技术和新材料的发展以及对耐久性能认识的深化，国内外知名的预应力体系如国内OVM体系、瑞士的VSL体系、法国的Freyssine体系等通过研发与工程实践，不断地提升体外预应力体系的质量，带动了体外预应力在桥梁加固工程中的发展和提高[1]。

2　体外预应力加固桥梁结构体系的构造

2.1体外预应力结构的锚固系统

体外预应力锚固体系主要由锚具、锚固块及钢垫板等组成。锚固体系一般可以分为可更换式和永久式两大类。

2.2体外预应力结构的减振系统

梁体与体外筋的振动特性是体外预应力结构研究的一个重要问题。由于体外预应力筋仅通过转向块和锚固端向混凝土梁体施加预应力并传递加载过程中力的变化，而在转向块之间未受到约束，故同体内预应力筋不同，它将产生独立于梁体的变形和振动。研究体外预应力结构振动特性的目的，主要是研究在动力荷载作用下进行体外预应力结构设计时，保证梁体自振频率、体外预应力筋的固有频率与外动力荷载的频率不同，避免三者产生共振[2]。体外预应力加固梁的振动涉及两方面的内容：梁体的振动；体外预应力索的振动。

2.3体外预应力筋的转向系统

体外预应力桥梁中的体外预应力筋的转向装置是一种特殊的构造，除了锚固系统外，它是体外预应力筋在梁跨内唯一与预应力受力结构有联系的构件，承担着体外索的转向功能，是体外预应力桥梁中最重要、最关键的结构构造之一。体外预应力混凝土结构的预应力筋必须通过转向块改变预应力筋的方向，从而形成预应力折线筋。转向块由于受较大的集中力及与预应力筋的摩擦力，受力较复杂。根据作用形式的不同，转向装置的传载模式分为两种基本形式：一是承压型，主要以压力的形式将体外索的荷载传递给原结构，一般用于矩形、T形梁和箱梁的横向加固；二是剪切型，主要是以剪力的形式将体外索的荷载传递给原结构，一般用于箱梁的纵向加固。

3　体外预应力转向装置设计

3.1转向装置配筋设计

在混凝土梁桥的设计计算中，国际工程界趋向于将结构划分为B区和D区分别对待。B区是指截面应变分布基本符合平截面假定的结构区域，它们的截面应力状态可以通过内力得出。在未开裂时，截面应力可借助于截面特性（如面积、惯性矩等）来计算；开裂后，则可应用桁架模型来分析。D区是指截面应变分布呈现明显非线性的结构区域，这些部位具有几何构造上的不连续或力流受挠动的特点，在我国目前的混凝土桥梁设计规范中，主要针对混凝土梁桥的B区，按受弯构件来设计，其正常使用极限状态和承载能力极限状态的计算均以截面分析为基础，对于混凝土梁桥的D区设计问题，几乎没有涉及[3]。桥梁工程的实践表明，由于D区在几何构造和受力上的复杂性，加上缺乏规范的设计指导，使得凭经验设计的D区常常出现结构性裂缝。同济大学徐栋、长沙理工大学李传习等，应用拉压杆模型进行了体外预应力桥梁转向结构分析及配筋的设计研究，其主要思路是：采用有限元法对转向体系进行空间应力分析，获得其应力分布特点，指出结构的D区；根据力流传递形式，结合拉压杆模型方法，建立转向体系拉压杆配筋计算模型；根据配筋计算模型，并考虑裂缝宽度限制要求，对拉杆进行配筋设计，对压杆和结点进行应力验算，确定结构的几何尺寸；由于体外预应力筋的转向点一般与两端锚固点不在同一竖直平面内，转向点承受由张拉预应力筋引起的竖向分力与水平力，当不计体外预应力筋与套管之间的摩擦损失时，在张拉力F作用下，体系的受力如图1所示。对于受拉型块式转向装置，可能出现三种破坏模式：箍筋的受拉破坏；力筋套管上层钢筋产生的梁作用破坏；水平力Q沿套管下方产生的剪切破坏。根据其受力特点及破坏机理，得出其拉压杆模型，如图2所示。

图1　转向块受力示意图

图2　转向块的拉压杆计算模型

3.2钢结构锚固转向体系构造设计

3.2.1锚固体系

钢结构形式的体外预应力锚固体系主要由底座钢板、横隔板、传力钢板、加劲钢板、锚垫板、钢管、黏贴钢板、锚栓以及灌注型黏结钢胶等组成。根据桥梁构造、安装位置和体外预应力需要的不同，钢锚箱的构造形式也不同，经过仿真分析和多个加固工程的实践、完善，钢锚箱可以相互融合，根据桥跨构造、安装位置和预加力的需要另行设计。因此，钢结构锚固体系的使用范围非常广泛。

3.2.2转向体系

钢结构形式的转向体系由转向支架、转向器和连接措施组成。转向支架形式是比较常用的方式，包括了箱梁内净高1.0～3.5 m、体外预应力钢束转向和通过2～10束的情形，其中，E类为直接在顶、底板的梗腋用型钢连接，适用于箱梁高度较低的情况。由于体外预应力加固连续梁桥时，一般需要新增的转向位置是处于桥跨的1/4～1/2处，墩顶位置可借助于横隔板实现，也可根据需要另行设计。其中，各类转向器构造和外观尺寸基本相同，内部构造尺寸根据体外预应力钢绞线的线形设计；与既有桥跨的连接措施主要是尺寸和锚栓数量不同；转向支架则由于箱形截面尺寸、体外预应力钢束穿过束数和位置多变，以及施工工人现场通过的需要，结构形式变化较大。

3.2.3质量监控技术措施

在进行体外预应力张拉施工时，需要对钢结构锚固转向体系进行安全性和可靠性方面的监控。与转向体系相比，锚固体系因结构复杂、承受荷载较大，需对其重点监控。锚固体系试验监控的内容：监控目标值，通过仿真分析获取；试验实测值，通过在现场安装传感器获取。建立锚固体系的仿真分析模型，如图3所示。模型的构造及尺寸与实际应用的相同，无简化处理，包括钢锚箱、黏贴钢板、灌注胶、螺杆和梁体混凝土部分，其中除螺杆用三维梁单元外，其他材质均为20节点块单元。分析时应用子模型技术，即先进行全桥整体分析，然后将边界条件引入到子模型中。利用仿真分析模型，首先对锚固体系的承载力进行检验，例如在设计预加力张拉钢绞线至55%标准强度的作用下，分别考虑底面钢板与原结构之间胶体理想参与工作和完全退出工作两种状态，各个螺杆分配到的剪力和拔力，而实际单个螺杆的抗剪和抗拔承载力通过试验获取分别为100 kN和50 kN。同样考虑螺杆理想参与工作和完全退出工作两种状态，胶体承受的最大剪切应力同样小于其容许剪切应力。