體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁撓度分析

李自林，孫丹

(天津城市建設(shè)學(xué)院，天津300384)

體外預(yù)應(yīng)力是由布置在混凝土構(gòu)件截面之外的后張預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力筋僅在錨固區(qū)及轉(zhuǎn)向塊處與構(gòu)件相連接［1]。其一般布置形式有直線體外束束形或雙折線體外束束形。目前該技術(shù)已應(yīng)用于橋梁工程建設(shè)中，并在舊橋加固中得到廣泛應(yīng)用，研究結(jié)果表明體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土箱梁對(duì)減小結(jié)構(gòu)變形是顯著的［2－5]。

1 基本組成和預(yù)應(yīng)力束的布置

體外預(yù)應(yīng)力索、體外預(yù)應(yīng)力鋼束的錨固系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向裝置，以及相應(yīng)的防腐系統(tǒng)組成了體外預(yù)應(yīng)力混凝土系統(tǒng)，如圖1。

體外預(yù)應(yīng)力束選擇、設(shè)計(jì)和優(yōu)化是體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容之一，根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力束在橋梁加固工程中的使用與施工條件，提出體外預(yù)應(yīng)力束的初步布置方案，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與束形分化的過(guò)程，確定體外預(yù)應(yīng)力束的束形最終設(shè)計(jì)布置方案，與體內(nèi)配置的預(yù)應(yīng)力筋相比，體外預(yù)應(yīng)力束傳遞預(yù)應(yīng)力的方式具有其特殊性，即預(yù)應(yīng)力作用反通過(guò)錨固區(qū)域節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)向塊來(lái)傳遞，因此，進(jìn)行錨固局域節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)向塊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

2 工程概況

加固橋梁(如圖2)全長(zhǎng)為454 m，橋面設(shè)2.7%的單向縱坡，橋上無(wú)豎曲線，橋面橫坡為雙向2%。

主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，跨徑布置為122 m+210 m+122 m。箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用單箱單室截面，箱梁頂板寬22.5 m，底板寬 11 m，外翼緣懸臂長(zhǎng) 5.75 m，箱梁頂板設(shè)置成2%雙向橫坡。箱梁根部梁高12.5 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高為3.5 m。從中跨跨中至箱梁根部，梁高以半立方拋物線變化。

該橋梁建成于2006年，經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)營(yíng)后該橋出現(xiàn)主梁下?lián)系牟『Γ瑱z測(cè)發(fā)現(xiàn)主跨及邊跨下?lián)铣潭染壤碚摲治鲋荡螅渲兄骺缈缰杏葹閲?yán)重。以主墩為相對(duì)參照零點(diǎn)，主跨跨中殘留預(yù)拱度值不到3.2 cm;橋梁合攏時(shí)溫度為20℃，溫度為35℃，按橋梁均勻升溫15℃進(jìn)行計(jì)算，溫度引起橋梁跨中上撓－2.1 cm，因此，若考慮溫度力作用，則原設(shè)置預(yù)拱度值基本消耗殆盡。根據(jù)國(guó)內(nèi)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該類型橋的下?lián)现芷趹?yīng)在10年左右，也即未來(lái)7到8年該橋還會(huì)繼續(xù)下?lián)稀Ｍ瑫r(shí)主梁下?lián)鲜沟孟淞旱装宕蠓秶鷥?nèi)存在縱向貫通裂縫(如圖3)，裂縫沿箱梁中心線左右對(duì)稱分布，平均間距15－25 cm。

3 體外預(yù)應(yīng)力加固撓度分析

3.1 體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)

該橋梁在建橋施工時(shí)，已對(duì)箱梁底板采用粘貼鋼板進(jìn)行加固，現(xiàn)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，共有47處錨栓松動(dòng)，部分錨栓銹蝕，此種情況的出現(xiàn)使得主梁跨中有呈現(xiàn)繼續(xù)下?lián)系内厔?shì)。

為延緩該橋跨中繼續(xù)下?lián)系内厔?shì)和適當(dāng)恢復(fù)橋面線形，加強(qiáng)腹板截面抗剪能力，抑制裂縫的擴(kuò)展，對(duì)該橋采用主梁增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼束的措施進(jìn)行加固整治。

體外預(yù)應(yīng)力束設(shè)置在主橋中跨，兩端分別錨固于兩0號(hào)塊橫隔板的邊跨側(cè)，整個(gè)橋跨共設(shè)置8束19根Ф15.2 mm的體外預(yù)應(yīng)力束，每個(gè)腹板對(duì)應(yīng)4束，通過(guò)5個(gè)轉(zhuǎn)向板分四批進(jìn)行下彎，錨下控制應(yīng)力為1 116 MPa。

3.2 體外預(yù)應(yīng)力加固撓度分析

體外預(yù)應(yīng)力加固撓度分析時(shí)，將預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力視為作用在梁上的外力［6]，而預(yù)應(yīng)力筋的作用將對(duì)原橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)反拱撓度f(wàn)，其與荷載引起的向下?lián)隙认喾矗?]，因此在本工程中采用體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁將延緩該橋繼續(xù)下?lián)系内厔?shì)并適當(dāng)恢復(fù)橋面線形。

采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中圖乘法對(duì)加固后的反拱撓度f(wàn)進(jìn)行理論的推導(dǎo)，并與最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

在預(yù)應(yīng)力筋的拉力Ny作用下，混凝土梁的反拱撓度可由圖4的計(jì)算圖式確定，此時(shí)梁的剛度取為 EhIo。

預(yù)應(yīng)力筋拉力作用下的內(nèi)力為

梁端彎矩Mo=nyη(h1cosa－xsina)

梁中端彎矩M1=－Nyh2

式中x－支點(diǎn)到所計(jì)算截面的水平距離;h1－錨固點(diǎn)到換算截面形心軸的距離;h2－預(yù)應(yīng)力筋重心到換算截面的形心軸的距離。

梁在單位力p=1作用下的彎矩圖如圖4所示。

根據(jù)圖4得

經(jīng)過(guò)修正得體外預(yù)應(yīng)力加固反拱撓度為

式中l(wèi)1－錨固點(diǎn)至轉(zhuǎn)向塊的距離;L－梁跨長(zhǎng)度;η－轉(zhuǎn)向塊兩端預(yù)應(yīng)力筋的用力的關(guān)系系數(shù);λ－剛度折減系數(shù)，一般為0.85。

4 結(jié)論

1)對(duì)體預(yù)應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)加固后的反拱撓度進(jìn)行理論方法的推導(dǎo)，推導(dǎo)出的反拱撓度計(jì)算公式。

2)理論推導(dǎo)公式的結(jié)果與撓度監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，在結(jié)果上數(shù)值誤差在理論范圍內(nèi)，表明公式可以作為體外預(yù)應(yīng)力加固后反拱撓度計(jì)算的一種方法。

［1] JGJ92－2004，無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S] .

［2] 李麗，金陵志，朱萬(wàn)旭.鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁體外預(yù)應(yīng)力加固法的撓度分析［J] .混凝土，2010(12):51－53.

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