橋梁體外索加固技術設計和施工
2016-02-29
一、體外索加固橋梁設計方法
1．理論
橋梁加固中為了滿足加固后的舊橋梁承載力的需要，體外索一般采用折線形，同時滿足梁正截面抗彎強度和抗剪強度的要求。體外索材料一般由無粘結鋼絞線、粗鋼筋與槽鋼組合而成。體外索加固橋梁受彎構件時，可按偏心構件驗算梁的承載力；按無粘結部分預應力混凝土結構，認為截面受彎破壞時，梁內的非預應力鋼筋達到屈服，而預應力鋼筋達不到極限強度，驗算使用階段的應力及結構的變形；按加勁梁組合結構分別對其受力和使用性能進行分析。在正使用極限狀態(tài)的各項指標計算時，按整體變形協(xié)調條件計算在外載作用下預應力筋的應力增量。
二、橋梁加固設計實例
某大橋為平均跨距L為13m的鋼筋混凝土T型梁橋，原設計荷載為汽-10級、拖-60。由于船體的撞擊，下緣混凝土破損，部分混凝土脫落，已出現(xiàn)縱向貫通裂縫，主鋼筋已嚴重銹蝕。加固時，首先鑿除松散混凝土，用鋼絲刷清銹處理，采用掛模澆筑C40混凝土修補完整，然后施加體外預應力加固，加固后橋梁承載能力要求提高到汽15級。T型主梁翼緣寬178cm，翼緣厚12cm，梁肋寬18cm，受拉Ⅱ級，鋼筋面積為44.27cm2，采用C25混凝土，體外索布置如圖1所示，支點距轉向塊L3為180cm，轉向塊的間距L2為840cm，端錨固點距轉向塊L1為150cm，中心軸距梁上邊緣y0u為19.14cm，中心軸距梁下邊緣y0d為60.86cm，h1為端錨固點至中心軸距離，h2為轉向塊至中心軸距離。每T型梁配置4根無粘結預應力鋼絞線，共16根。為了使每片梁受力均勻，采用兩端分2次張拉，固定端與張拉端交叉布置。預應力鋼絞線的張拉控制應力為855mpa，有效預應力為62・215mpa。加固后橋梁，采用前軸為55kn、后軸為155kn，兩輛載重汽車進行現(xiàn)場荷載試驗。對主梁跨中撓度、鋼筋和混凝土的應力進行分析，并確認其加固效果。
由表1數(shù)據(jù)表明主梁跨中撓度為5.43mm，滿足橋梁規(guī)范要求靜活載撓度不超過（1/600）l的要求，校驗系數(shù)滿足0.6~0.9舊橋鑒定的要求。結構具有足夠的抗彎剛度，達到汽-15荷載標準作用的使用要求。
σL為汽車荷載產(chǎn)生的應力；σp為預應力產(chǎn)生的應力；σ為總應力。由表2、表3數(shù)據(jù)表明：施加預應力，使主梁的上邊緣混凝土產(chǎn)生拉應力和下邊緣混凝土產(chǎn)生壓應力，則上邊緣混凝土總壓應力值與下邊緣混凝土總拉應力值都減小。鋼筋的校驗系數(shù)滿足0.4~0.8舊橋鑒定的要求。采用體外預應力加固后，從加固前汽-10級荷載提高到加固后汽-15級荷載標準，加固效果是非常顯著。荷載試驗表明：在汽-15荷載標準作用下，加固后橋梁的抗
彎承載能力系數(shù)為1.51，達到加固要求，該加固方法是可行的。
三、施工過程
1．鉆孔與碳纖維粘貼
在T型梁的腹板鉆孔洞時，避開梁中受力鋼筋.洞口周圍粘貼了30cm×30cm碳纖維，以增強混凝土的局部抗壓能力。3.2穿索與預應力張拉首先對每根無粘結鋼絞線貼上編號標簽，逐根將鋼絞線穿入鋼栓孔洞中，并調整至最佳位置。
然后安裝錨杯和夾片外螺母，將千斤頂和張拉配件安裝就位，最后進行預應力張拉。張拉程序：0→10%σcon（讀初始伸長值并作張拉程序：0→10%σ（測量伸長值l3作記錄）→σcon（測量伸長值l3并作記錄）→卸荷至零。采用一端張拉法對鋼絞線在梁兩側各一根進行對稱張拉。張拉時，采用張拉力和預應力筋伸長量雙重控制。張拉過程中，跟蹤觀測每片主梁的跨中撓度和裂縫閉合情況。
量取千斤頂活塞的伸長量l1張拉達20%σcon時再量取千斤頂活塞的伸長量l2，二者之差為鋼索的實際推算伸長量。張拉應力達100%σcon，再量取千斤頂活塞的伸長量l3，l3與l1之差為鋼索的際張拉伸長量。實際張拉伸長量與實際推算伸長量之差，與理論伸長相比誤差不超過+10%，-5%。
預應力張拉的理論伸長量計算按規(guī)范要求進行，采用平均張拉應力法即：
式中，F(xiàn)p為平均張拉力；L，Ap，Ep分別為預應力鋼絞線計算長度、面積和彈性模量單根鋼絞線的張拉力分別為120kN（2片中梁）、100kN（2片邊梁）；初應力取張拉力的10%，即分別為12kN，10kN。由表4、表5數(shù)據(jù)可以看出，張拉時，跨中向上撓度實測值與理論計算值吻合較好，說明理論計算的正確和施工質量的可靠。
四、施工總結
1．防松套
本加固工程體外預應力索錨固體系中采用的是單孔夾片式錨具，設計控制索力為100kn，120kn，屬于較小的張拉噸位。由于橋梁長期承受較大振動荷載，疲勞作用會引起錨具中的夾片放松，甚至導致錨具失錨。為防止此類事故發(fā)生，本工程采用了夾片防松裝置――防松套。同時，在防松套與錨具夾片之間放置彈簧墊圈，使防松套對三夾片均勻施力，并起減振作用。
2．鋼銷栓和轉向塊
鋼銷栓和轉向塊是本次加固工程中的最關鍵構件之一，轉向塊設計與施工必須符合以下要求：
?。?）滿足張錨體系錨固及傳力的功能要求。轉向塊由鋼板焊接而成，保證有效傳遞預應力。
（2）結構混凝土局部承壓承載能力。對體外索實施預應力張拉后，在索力作用下，銷栓對混凝土孔壁具有拉索方向的擠壓力，銷栓的尺寸要與混凝土洞口尺寸、混凝土強度等級相符合，以滿足混凝土的局部承壓要求。
（3）錨下栓體鋼材的局部承壓承載能力。在索力作用下，錨具的錨環(huán)將對鋼栓產(chǎn)生擠壓力，應在錨下栓體表面加工合理的平面，此平面既要保證錨具穩(wěn)定受力，又要保證與體外索垂直。
（4）銷栓應有足夠的抗彎、抗剪承載能力和抗變形能力。其剪切變形和彎曲變形盡量小，確保錨環(huán)安裝牢固后能夠與預應力索的索力方向相協(xié)調。
3．張錨體系的保護
選用無粘結鋼絞線作為體外預應力索，外裹油脂和塑料護套可起到保護預應力索的作用，具有一定的耐久性.張錨體系兩端的錨具和防松套采用玻璃絲布纏包油脂的方法加以保護。
五、結束語
?。?）綜上所述，體外索加固法是在使用過程中，具有加固、卸載及減小結構內力的作用，值得推廣應用。（2）體外預應力加固法，加固后能達到荷載標準，加固效果是非常顯著。（3）體外索加固法有效改善了主梁在正常使用階段的工作性能，裂縫寬度變窄，撓度明顯減小，增強了結構的耐久性。
