符汶大橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究

呂 蕾，鐘志彬，張國(guó)林

(西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)，四川 峨眉山 614202)

體外預(yù)應(yīng)力加固主要是通過(guò)在原有梁體外布置預(yù)應(yīng)力鋼束，與被加固梁體錨固，然后通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，使原梁形成帶柔性鋼束的超靜定結(jié)構(gòu)，形成反拱，從而減小裂縫寬度甚至閉合裂縫，提高梁體承載力，起到加固橋梁的作用，它是后張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)的延伸應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:①施工工序簡(jiǎn)單、養(yǎng)護(hù)維修方便、施工工期短，并且在施工中可以做到不影響交通;②加固費(fèi)用少，體外預(yù)應(yīng)力加固費(fèi)用僅為新建橋梁的10%～20%，但是卻可以使承載力提高30% ～40%;③與相對(duì)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力技術(shù)相比由于沒(méi)有與混凝土粘結(jié)，因此可認(rèn)為預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力基本沿全梁均勻分布，這樣就減少了預(yù)應(yīng)力摩阻損失，受力明確。但是由于鋼束裸露在梁體外，因此對(duì)鋼束的防腐、防火、防破壞成為體外預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)維護(hù)的重點(diǎn)，同時(shí)由于僅靠梁端錨固和梁身托座的支承傳力，故梁端錨固、托座施工質(zhì)量控制尤為重要。

符汶大橋位于四川省峨眉山市，是省道103線途徑峨眉山市的唯一通道，始建于20世紀(jì)60年代，上部結(jié)構(gòu)由5孔10片鋼筋混凝土T梁平行拼接而成，由于當(dāng)時(shí)橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工技術(shù)的限制及常年的使用，“5.12”地震后橋梁上部橋面板及梁肋均不同程度出現(xiàn)裂縫，各梁橫向連接部位鋪裝層出現(xiàn)開(kāi)裂，下部橫隔板也出現(xiàn)肉眼明顯能觀察到的較大裂縫，經(jīng)檢測(cè)該橋已經(jīng)不能滿足承載力要求，須對(duì)其進(jìn)行加固處理。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)使用要求，綜合分析后采用體外預(yù)應(yīng)力筋張拉加固。符汶大橋加固在每片梁兩側(cè)各設(shè)5束預(yù)應(yīng)力鋼束，總共為5束 ×2側(cè) ×10片梁 =100束預(yù)應(yīng)力鋼束。鋼束沿梁跨中呈直線、支座附近彎起的凹形布置，通過(guò)轉(zhuǎn)向托座實(shí)現(xiàn)鋼束的彎起，最后鋼束在梁端橋面上錨固。

1 施工階段受力分析

施工階段，對(duì)鋼束在錨固端施加預(yù)拉力 NK′，張拉完成后將鋼束錨固在錨固端。張拉結(jié)束后整個(gè)體系處于平衡狀態(tài)，此時(shí)斜筋的豎直方向分力使原梁產(chǎn)生負(fù)剪力和負(fù)彎矩，水平方向分力對(duì)原梁截面產(chǎn)生偏心壓力。這種受力形式使得原梁體內(nèi)儲(chǔ)備了一定的抗力，可以部分抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，提高原梁承載力，起到加固的作用。其中，NXK為斜筋水平分力;DK為斜筋豎向分力;TY為摩擦力，TY=f0N，N為梁底轉(zhuǎn)向托座的豎向壓力，f0為轉(zhuǎn)向托座與鋼束之間的摩擦系數(shù)，施工階段全梁受力分析見(jiàn)圖1。對(duì)符汶大橋，上鋼束錨固在橋面板上，錨固位置顯然在截面重心以上，這時(shí)水平分力NXK在原梁截面處產(chǎn)生正的偏心彎矩，即使原梁下緣受拉，對(duì)原梁不利，但是由于錨固點(diǎn)的升高提供了較大的預(yù)剪力，有利于原梁的斜截面抗剪。所以體外預(yù)應(yīng)力筋張拉加固的錨固位置應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)加固承載力和受力特點(diǎn)確定。

圖1 施工階段全梁受力分析

2 使用階段受力分析

加固后梁在外荷載作用下梁體產(chǎn)生變形，相應(yīng)的鋼束水平筋及斜筋的受力大小、轉(zhuǎn)向托座對(duì)梁的壓力大小均發(fā)生變化。考慮符汶大橋采用固定式的轉(zhuǎn)向托座，在外荷載作用下轉(zhuǎn)向托座不發(fā)生移動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)向托座進(jìn)行分析，對(duì)X′在水平方向和豎直方向進(jìn)行分解。

其中，XP為水平筋中的拉力增量;X′為斜筋的拉力增量;DX為 X′的水平分力，DX=X′cosα;DY為 X′的豎直分力，DY=X′sinα;其他符號(hào)同上，外荷載作用下受力分析見(jiàn)圖2。

圖2 外荷載作用下受力分析

此時(shí)結(jié)構(gòu)變成一種帶柔性鋼束的一次超靜定結(jié)構(gòu)，可以利用結(jié)構(gòu)力學(xué)上的力法求解一次超靜定，以外荷載引起的水平筋拉力增量為變量，截?cái)嗨浇?，選取基本體系，列出力法方程

又根據(jù)力法作圖求解可知

式中，δ11為單位荷載單獨(dú)作用下鋼束沿單位荷載方向的位移;Δ1P為實(shí)際荷載單獨(dú)作用下鋼束沿荷載方向的位移;XP為鋼束實(shí)際受力大小;E為鋼絞線彈性模量;A為鋼束截面面積;I為鋼束橫截面慣性矩;M1為單位荷載作用下鋼束所受彎矩;N1為單位荷載作用下鋼束所受軸力;MP為實(shí)際荷載作用下鋼束彎矩。

將式(2)帶入式(1)并結(jié)合鋼筋混凝土設(shè)計(jì)原理中有關(guān)N、M的計(jì)算方法最終可得到

由式(3)可知，體外預(yù)應(yīng)力加固在鋼束形式及各種材料確定后，水平筋的拉力增量只與預(yù)應(yīng)力水平筋截面面積AY、外荷載集度q有關(guān)。

對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力加固中涉及到的梁體裂縫寬度、撓度、預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算主要原理與普通無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)相同，可參照文獻(xiàn)［1］或者參照相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中的計(jì)算方法。

3 施工技術(shù)

符汶大橋體外預(yù)應(yīng)力筋加固施工主要分為:托座鉆孔和安放，端部錨固處理及錨具安裝，鋼束布置和張拉。各階段施工均應(yīng)按照設(shè)計(jì)規(guī)定實(shí)施，對(duì)重點(diǎn)部位施工應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，防止出現(xiàn)施工質(zhì)量問(wèn)題造成工程事故。

3.1 托座施工

轉(zhuǎn)向托座在預(yù)應(yīng)力筋張拉過(guò)程中起到轉(zhuǎn)向，并且同時(shí)傳遞壓力的作用，所以施工中造成的安裝位置偏差或是鋼制托座制造誤差都將影響整個(gè)加固的質(zhì)量，所以鋼制托座的制作及現(xiàn)場(chǎng)施工放線、鉆孔、安放均應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。符汶大橋鋼制托座為橢圓柱形，與鋼束接觸的圓角保證了鋼束在張拉過(guò)程中不至被卡住，減小摩阻力，鋼制托座外緣增焊兩根鋼筋伸出托座，形成定位槽用以固定鋼束位置，防止鋼束偏擺。托座要噴涂防腐油漆，防止托座銹蝕造成預(yù)應(yīng)力損失。

施工過(guò)程中，首先進(jìn)行精確的施工放線，定出托座安放位置。然后用沖鉆從一端到另一端鉆進(jìn)，為防止單邊鉆進(jìn)造成另一邊形成漏斗形破壞，所以在一邊鉆進(jìn)超過(guò)梁肋寬度一半以后再?gòu)牧硪欢讼嗤恢勉@進(jìn)，兩邊鉆透。在施鉆過(guò)程中，為避免鉆到梁肋鋼筋，需配合使用鋼筋掃描儀。鉆孔完成后安放鋼制托座。

3.2 錨固端施工

錨固端作為鋼束張拉位置，同時(shí)在張拉完成后的長(zhǎng)期使用過(guò)程中一直承受著較大的壓力，這對(duì)錨固端部位梁體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求較高。由于符汶大橋使用時(shí)間較長(zhǎng)，建造時(shí)所使用混凝土質(zhì)量等級(jí)較低，舊梁端部混凝土強(qiáng)度較低，為防止錨固端在張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后出現(xiàn)壓碎破壞，所以在梁端錨固處重新澆筑高強(qiáng)度混凝土塊。符汶大橋鋼束在橋面上進(jìn)行錨固，在澆筑錨固端混凝土塊時(shí)要預(yù)留供鋼束穿過(guò)的索孔，并且預(yù)留索孔的角度應(yīng)根據(jù)鋼束形狀進(jìn)行設(shè)置，避免造成卡角而造成張拉過(guò)程中鋼束與混凝土摩擦損壞及較大的摩阻損失。橋面在進(jìn)行鋼束張拉和錨塊施工養(yǎng)護(hù)過(guò)程中要暫時(shí)對(duì)橋面交通進(jìn)行封閉，確保錨固塊不被破壞，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，見(jiàn)圖3。

圖3 梁端錨固

3.3 鋼束布置及張拉

轉(zhuǎn)向托座及錨固端錨具就位后，進(jìn)行鋼束穿索。體外預(yù)應(yīng)力筋采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，為防止鋼束暴露在空氣中而加速銹蝕，對(duì)鋼束最外層包裹PE塑料保護(hù)套管，鋼束與套管之間的空隙處可以注入黃油。

穿索完成后在對(duì)鋼束進(jìn)行張拉前要仔細(xì)檢查錨具、轉(zhuǎn)向托座是否安裝牢固，轉(zhuǎn)向托座在梁肋的兩邊要保證水平，否則由于兩邊位置偏離將會(huì)造成梁體兩邊受力不同，梁體兩邊的不均勻受力會(huì)導(dǎo)致梁體出現(xiàn)水平方向分力，最終全橋整體水平分力甚至?xí)斐蓸蝮w側(cè)移、嚴(yán)重降低橋梁的承載力。

鋼束性能應(yīng)符合GB/T5223規(guī)定，進(jìn)場(chǎng)后要進(jìn)行驗(yàn)收，有必要的可以抽樣進(jìn)行承載力試驗(yàn)，看是否符合要求。施工過(guò)程中對(duì)鋼束進(jìn)行分級(jí)張拉，張拉程序與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相同。張拉在兩邊同時(shí)進(jìn)行，同一片梁兩側(cè)的鋼束要同步張拉，這樣同一片梁兩側(cè)的鋼筋才能有相同或相近的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。張拉過(guò)程要緩慢施力，并要實(shí)時(shí)監(jiān)控，注意鋼束、錨具、轉(zhuǎn)向托座及梁體梁肋是否出現(xiàn)異常。張拉結(jié)束后應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)鋼束進(jìn)行錨固，錨固應(yīng)牢固可靠，否則將造成較大的預(yù)應(yīng)力損失，甚至造成預(yù)應(yīng)力喪失，導(dǎo)致橋梁加固失敗。

4 結(jié)語(yǔ)

符汶大橋的加固工程在2010年6月底已近結(jié)束，通過(guò)對(duì)橋梁的承載力檢測(cè)及裂縫觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)該橋承載力有了大幅的提高，在這兩個(gè)月的正常運(yùn)營(yíng)中并未發(fā)現(xiàn)有異常，橋梁承載力基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁加固中的應(yīng)用，通過(guò)近幾年的研究已經(jīng)形成了較為完整的理論體系，并且大量實(shí)際工程的應(yīng)用也為后續(xù)的應(yīng)用積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)。此次該技術(shù)在符汶大橋加固的成功應(yīng)用，為“5.12”地震災(zāi)后重建中大量橋梁、房屋建筑的加固提供了參考，同時(shí)符汶大橋作為舊橋中的典型，也可為我國(guó)后續(xù)大量舊橋加固利用提供借鑒。

［1］黃僑.公路鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋的體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，1998:27-35.

［2］巢斯，易發(fā)安，孫海.體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋在外力作用下的應(yīng)力分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2000(1):29-33.

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