公路鋼筋混凝土橋梁的體外預應力加固技術

侯玉成

（杭州市交通規(guī)劃設計院，浙江 杭州310006）

一、體外預應力混凝土橋梁全過程分析的方法

現在常用的體外預應力混凝橋梁全過程分析方法主要有三種：第一，利用數值分析或者試驗的結果，以整體變形協調及梁截面受力平衡為基礎，利用相關的系統軟件進行全過程分析。該分析方法所采用的是聯立方程計算體外預應力筋轉向以及摩阻滑動，要將諸如二次效應等幾何非線性影響因素考慮進去。不過通常該方法常用于整體式簡支梁的分析，而節(jié)段式梁則不適用。第二，采用鋼筋混凝土非線性分析原理結合試驗成果，利用平面梁單元非線性有限元分析原理，分別建立起混凝土、節(jié)段接縫、鋼筋以及體外預應力筋摩阻滑動等分析模型，再利用相關軟件做全過程分析。這種分析方法在進行體外預應力混凝土橋梁的受力性能模擬方面比較細致。第三，就是在鋼筋混凝土非線性分析原理的基礎上，利用空間非線性有限元分析法對鋼筋及混凝土的受力過程進行模擬，再利用軟件做全過程分析，這種方法和普通鋼筋混凝土非線性分析的方法比較相近，不過相對來說體外預應力筋滑動及節(jié)段接縫的分析模型比較簡單。

二、計算體外預應力混凝土梁抗彎承載以力極限狀態(tài)

當抗彎承載能力處于極限狀態(tài)時，整體梁截面的受拉區(qū)其體內的縱向預應力筋應力、普通鋼筋以及節(jié)段式梁接縫截面受拉區(qū)體內預應力筋應力等，都已經比屈服強度或者條件屈服強度要大，并且經過相對較大的塑性應變以后，其應力基本為極限強度；并且此時體外預應力筋的應力相對較低，有些部分并未達到條件屈服強度，有些部分盡管比條件屈服強度要大，但是其塑性應變并沒有再進行充分的發(fā)展。對體外預應力混凝土梁的抗彎極限承載力產生直接影響的因素主要有以下幾個：加載和施工的方法、體內及體外的配筋比和跨高比，而其它的因素則相對次要。抗彎極限承載能力受到加載和施工方法、體內及體外配筋比和跨高比的影響可以分為直接和間接兩個部分。影向抗彎極限承載力的直接影響因素利用簡單的計算就可以得出，但是間接的影響只能對相關試驗結果做出分析才能得出，或者利用結構非線性有限元分析而得出。

三、計算抗剪承載能力的極限狀態(tài)

發(fā)生剪壓破壞時，剪壓區(qū)的混凝土受到縱向壓應力以及豎向剪應力共同作用，達到極限強度，節(jié)段式梁的剪壓破壞就表現為接縫開展、豎裂縫或者斜裂縫等形式。體外預應力混凝土梁的抗剪承載力，一般由以下幾個主要因素共同組成：混凝土截面所提供的承載力、彎起預應力筋所提供的承載力、箍筋所提供的承載力等，此外，體內的縱向配筋以及縱向預應力對混凝土的截面承載力也會起到一定的作用。對試驗的參數做出分析可以得出，如果混凝土的強度基本相同，抗剪承載力受到以下主要因素的影響：施工的方式方法、體內外的預應力筋的配比、縱向的預應力以及剪跨比和配箍率等因素，而其它的因素對其影響相對較小。同樣，抗剪承載力受到主要因素的影響也分為直接影響及間接影響兩個部分，其中梁體的受力性能及抗議剪承載力受到施工的方式方法以及配箍率和剪跨比的直接影響；而體內外的預應力配筋比及縱向預應力等因素，會對混凝土的抗剪承載力、梁體的變形、裂縫的水平長度變化、裂縫發(fā)生及發(fā)展、體外的預應力筋極限應力、二次效應等均會產生間接的影響。

四、實例分析

（一）工程概況

某大橋上部結構為鋼筋混凝土T梁，高1.3m，跨徑為20m，梁肋的間距為1.6m，每跨橫橋向7片T梁，五道橫隔板。上部結構病害主要有：主梁表面的混凝土出現剝離現象，鋼筋外露；跨中的梁腹板有較多裂縫且比較嚴重。上述病害主要成因有兩點：其一，主梁上部結構尺寸偏小，承載力低；其二，橋梁的使用荷載超出設計荷載，橋梁的運營長年超重，橋梁被破壞的速度更快。因此采用體外預應力加固法對其鋼筋混凝土T梁進行加固。

（二）利用水平預應力鋼筋加固主梁正截面

利用水平預應力鋼筋對主梁正截面抗彎進行加固的主要目的是在梁底部位施加縱向預應力，會對梁體產生反向彎矩，從而梁體的部分自重和活載所產生的正彎矩被抵消，主梁的抗彎能力得到提高。經過分析研究，由于螺紋鋼筋的錨固工藝簡單，通常廠家配備有螺帽，便于張拉，因此采用直徑為25mm的精軋螺紋預應力鋼筋作為水平預應力鋼筋，T梁的腹板兩側各設一根，與梁底的距離為17.5公分，抗拉強度的標準值為930 Mpa。被加固的梁體上有支承鋼板，將預應力筋錨固固定其上，再通過液壓扳手擰緊螺帽的方法作兩端張拉，單根的鋼筋張拉力147KN。在進行張拉和錨固后，再噴注高性能的抗拉復合砂漿，噴注時要注意，噴注范圍不可超出腹板兩側原梁鋼筋骨架的高度，從而構成具有粘結預應力的正截面加固體系。其結構示意圖如下圖1所示：

（三）利用斜向預應力鋼筋加固主梁斜截面

斜向預應力鋼筋下方和水平筋相連接，上端錨固在梁端腹板的位置，其主要目的是提供梁端部位的預剪力及負彎矩，使得主梁斜截面的抗剪能力得到提高。經過分析研究，斜向預采用直徑為18mm的精軋螺紋預應力鋼筋作為斜向預應力鋼筋，梁端腹板兩邊分別設置一根，抗拉強度的標準值為930Mpa。預應力筋的固定端與腹梁的鋼板固定焊接，而張拉端則卡在鋼板上即可，再進行單端張拉，張拉力為70KN，同樣噴注抗拉復合砂漿構成預應力斜截面加固體系。其結構示意圖如下圖2所示：

五、進行體外預應力加固梁設計的幾點建議

（一）在跨中增設轉向塊

加固梁被破壞的原因通常是因為跨中位置的裂縫及撓度太大，造成上部混凝土被壓碎，在跨中增設轉向塊固然無法起到轉向作用，但是可以促使結構變形和體外約束變形相一致，跨中撓度有所減小，而且因為體外預應力束位移及偏心矩的變化對加固梁產生的影響也有所減小。如果錨固區(qū)處于高預應力區(qū)設計轉向塊時，要根據體外束所產生的垂直分力及水平分力來進行，還要充分考慮到轉向塊集中應力會對原結構的混凝土產生影響。

（二）體外預應力筋的預應力損失

混凝土的收縮及摩擦和徐變所引起的體外預應力筋的預應力損失要小于普通的混凝土梁應力筋；當結構瀕臨破壞的臨界點時，體外預應力筋會有很大的應力增量。所以為了避免結構突然脆性破壞和預應力筋長年處于高應力的狀態(tài)，要適當降低體外索的張拉控制應力。體外預應力筋張拉控制應力要小于0.6fptk，不過也要大于0.4fptk。

（三）體外預應力筋的截面

體外預應力筋的截面最好不要選擇過大，以節(jié)約材料成本及防止發(fā)生突然脆性失效。當體外預應力筋數量達到一定程度后，再增加數量結構的極限承載力也不會再有所提高，此時所增加的鋼筋只能夠改變加固梁的破壞形態(tài)。

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