体外预应力技术在某桥梁加固中的应用分析

1、华 中 科 技 大 学研究生课程考试答题本考生姓名 张威 考生学号 M200973125系、年级桥梁与隧道工程类 别硕 士 考试科目 现代预应力混凝土考试日期 2010 年 10 月8日 评 分题 号得 分题 号得 分总分：评卷人：注：1、无评卷人签名试卷无效。2、必须用钢笔或圆珠笔阅卷，使用红色。用铅笔阅卷无效。题号回 答 内 容得分体外预应力技术在某桥梁加固中的应用分析M200973125 张威 土木道桥系摘要:结合某实际曲线梁桥结构,采用体外预应力方法进行加固,并对该方法进行介绍,阐述作为主动加固的体外预应力加固技术的优点,并对体外预应力加固设计中需要特别注意的极限应力合理取值、预应力损

2、失及张拉控制应力进行探讨。利用有限元程序MIDAS/Civil建立该曲线梁桥整体计算模型,对采用体外预应力技术加固的曲线梁桥进行了应力和抗裂验算,通过与加固前各项指标的比较分析,得出加固方案的合理性。关键词:曲线梁; 体外预应力; 无粘结; 极限应力; 张拉控制应力预应力技术从工程实际应用到现在才半个世纪多，但是由于预应力混凝土具有结构安全可靠、节约材料、自重较小、构件的抗裂性好、刚度大等优点，得以迅速发展，应用范围越来越广泛，应用数量日益增多。预应力技术应用于公路桥梁是在20世纪50年代中期，迄今已有40 多年了。虽然起步较晚，但发展却异常迅速，从理论计算、施工工艺和技术、材料和设备、试验检

3、测、设计和施工队伍等已形成一套较完整的体系。预应力技术不仅用于公路桥梁结构，而且也运用到桥梁的维修和加固、大件提升、顶推施工、边坡或山体锚固等方面，其应用范围还在不断扩大应用前景会与日俱增。随着国民经济和交通建设的蓬勃发展,公路运输量大幅度提高,行车密度及车辆载重不断增加,而桥梁作为公路的咽喉,其使用功能的好坏直接影响整条线路的畅通,其正常营运是确保交通安全的关键。然而桥梁结构由于自身存在使用周期内的自然老化、各种意想不到的自然灾害,设计过程中的历史局限或是施工过程中的初始缺陷,造成现有桥梁中的相当一部分满足不了使用上的要求。实践经验证明,只要采用合理可靠的桥梁加固措施,对恢复和提高桥梁的承载

4、能力及通行能力,延长其使用寿命,是非常合理和可行的。一般情况下,桥梁的加固费用仅为新建桥梁费用的10%20%,因此,如何充分利用现有桥梁,对其进行有效的技术改造, 具有重大的经济价值和社会意义。1工程背景某立交匝道全长98m,桥面宽度8m。全桥位于平曲线上,最小半径为55m,墩、台布置均与道路中心线正交。竖向位于半径为10511526 m的竖曲线上,且沿桩号方向上设置316%和-414%的纵坡。匝道桥上部结构采用(30+38+30)m三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥, PF1桥墩墩顶与主梁固结, PF2桥墩墩顶设支座。如图1、图2所示。该立交匝道工程在上部结构混凝土浇筑完成拆模后,即发现如下主

5、要病害:(1) 桥梁顶板、腹板多处出现严重的蜂窝孔洞,钢筋外露现象严重;图1 匝道立面图（单位：cm）图2 匝道平面图（单位：cm）(2) 预应力管道定位与设计不符,波纹管破损严重,箱梁内侧的波纹管已经完全损坏,不能穿预应力钢束,预应力管道线形与原设计偏差较大,造成部分预应力筋失效。2加固方案设计2.1加固方法的确定加固方法从原理上可分为被动加固和主动加固两类。被动加固的后加补强材料只承担活载和后增加恒载引起的内力,与原梁的钢筋相比,其应变(应力)相对滞后,一般情况下,在极限状态下其应力达不到抗拉强度设计值,材料无法充分发挥高抗拉性能。解决后加补强材料应变(应力)滞后,提高后补强材料利用效率的

6、根本途径就是变被动加固为主动加固。主动加固设计思想的核心就是提高后补强材料的利用效率,以最少的成本,创造最佳的加固效果 2 。而体外预应力加固则属于主动加固范畴。体外预应力加固通常采用粗钢筋、钢绞线、高强钢丝等材料作为施力工具,在体外对桥梁上部结构施加预应力,以预应力产生的反弯矩部分抵消外荷载产生的内力,改变结构内力分布,提高结构的刚度及抗裂性能。体外预应力技术在实际工程中已有广泛应用,如上饶灵溪大桥加固设计、三门峡黄河大桥加固设计、芜湖市中江桥等。体外预应力加固技术的主要优点:(1)能充分发挥体外预应力钢筋的的性能,较大幅度提高桥梁的承载能力;(2)在体外预加力作用下,原梁的裂缝将全部或部分

7、闭合,明显改善原梁的抗裂性能,提高结构的耐久性;(3)体外预应力加固可在不中断交通的条件下进行,对桥梁的运营影响不大;(4)体外预应力加固所需设备简单、施工工期短、经济效益显著。根据本桥的具体病害情况,考虑体外预应力加固法的适用范围及优势,决定拆除内侧波纹管并对结构缺陷进行修补,除对薄弱构件进行补强外,对箱梁主体主要采用体外预应力技术进行加固。2.2具体加固方案的设计2.2.1体外预应力筋的布置根据A类构件正常使用极限状态抗裂要求,经计算本加固结构采用6束21515.24mm预应力钢绞线。体外预应力筋布置如图3图5所示,沿梁全长偏心距保持不变。端横梁处设锚固块,两端张拉。针对曲线梁的特点,利用

8、原有横隔梁和横隔板作为体外预应力筋弯曲平面内的转向装置。由于增加的体外预应力筋预应力径向力合力作用点位于截面剪切中心附近,所以其径向力合力对结构几乎不产生扭矩,体外预应力筋的作用只是增加了原结构的压应力储备。这样,间接减小了原设计预应力径向力合力产生的使箱梁结构向外侧偏转的扭矩,避免预加力径向力造成的扭矩不平衡引起的曲线梁桥出现支座脱空、横向失稳、墩梁固接位置开裂、腹板开裂等病害产生。图3 体外预应力筋布置断面图（单位：cm）图4 体外预应力筋布置立面图（单位：cm）图5 体外预应力筋布置平面图（单位：cm）2.2.2张拉控制应力的确定体外预应力加固结构其预应力损失,从理论上讲应考虑摩阻力、锚

9、具变形、温差、分批张拉引起的混凝土弹性压缩、钢筋应力松弛和混凝土收缩与徐变等因素引起的应力损失。均可根据实际情况参考现行规范计算。体外预应力损失比有粘结的预应力损失要低很多,这也是体外预应力的一大优点。针对这一特点,应适当降低预应力钢筋的张拉控制应力,以避免体外预应力筋长期处于高应力状态下工作。用于加固结构的体外预应力钢筋的张拉控制应力,建议比公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范( JTG D622004)规定的张拉控制应力降低5%10%4 。本加固结构的体外预应力筋的张拉控制应力取con = 68% ×fpk = 1 26418MPa,比公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范

10、( JTG D622004)规定的张拉控制应力降低9% ,该张拉控制应力在合理的应力取值范围内。3加固设计计算分析3.1体外预应力法加固设计计算中的特殊问题以采用体外预应力加固的简支梁为例,结构实际上是一个带柔性拉杆的内部超静定混合体系。这种体系的最根本特点是,预应力筋与梁体混凝土之间无粘结,同一截面内预应力筋与梁体混凝土之间不存在简单的变形协调关系。一般情况下,在极限状态时体外预应力筋的应力都达不到材料的强度设计值。体外预应力加固设计中很多特殊问题都是从这点引发的 2 。3.2体外预应力筋极限状态下应力的合理取值体外预应力加固设计的核心内容包括正截面抗弯承载力计算和斜截面抗剪承载力计算两部分

11、。极限状态下体外预应力筋应力取值应考虑体外预应力筋无粘结的特点,即在荷载作用下,预应力钢筋和混凝土之间可发生滑移,体外预应力钢筋偏心距发生改变。为获得体外预应力加固构件承载力指标,必须首先得到体外预应力筋的极限应力。3.3加固结构的计算分析本例采用忽略翘曲影响的单纯扭转理论 5 进行纵向分析。通过桥梁设计专用软件M IDAS/Civil采用空间梁单元建立有限元整体模型进行受力分析。模型共有节点217个,单元211个,弹性连接5个。考虑的荷载包括自重、预应力、温度梯度、混凝土收缩徐变、基础沉降。有限元计算模型见图6。图6 有限元计算模型3.3.1加固后正常使用阶段应力验算(1)加固后斜截面混凝土

12、主压应力验算(图7、图8) 图7 曲线外侧斜截面混凝土主压应力（长度/m）图8 曲线内侧斜截面混凝土主压应力（长度/m）从计算结果中可以看出,加固后斜截面主压应力最大值发生在匝道PF1支座截面外侧腹板下承托处,最大斜截面主压应力仅为1116MPa,满足规范要求,并有40%左右的安全储备。（2）加固后正截面混凝土法向应力验算(图9图12)从以上应力结果图中可发现,匝道桥加固后仅在PF1支座截面曲线内侧上缘出现正截面拉应力,而拉应力值仅为1105MPa,中跨跨中曲线内侧上缘出现1518MPa的压应力,均符合规范限值要求。图9 曲线内侧上缘正截面应力包络图（长度/m）图10 曲线内侧下缘正截面应力包

13、络图（长度/m）图11 曲线外侧上缘正截面应力包络图（长度/m）图12 曲线外侧下缘正截面应力包络图（长度/m）3.3.2正常使用极限状态抗裂验算(1)荷载短期效应组合下正截面混凝土法向拉应力验算。对加固前后结构在荷载短期效应组合下正截面混凝土法向拉应力进行验算,结果如图13图16所示。图13 曲线内侧上缘正截面应力（长度/m）通过对比加固前后应力结果可以发现,加固前因为原结构部分体内预应力钢筋的废除,导致截面上缘支点处、截面下缘跨中处均出现非常大的拉应力,而加固后由于体外预应力的作用,图14 曲线内侧下缘正截面应力（长度/m）图15 曲线外侧上缘正截面应力（长度/m）图16 曲线外侧下缘正截

14、面应力（长度/m）截面应力均大幅下降,应力大多为压应力。从加固后正截面混凝土法向拉应力曲线中提取出中跨跨中和支点截面应力,与加固前各位置处应力值比较如表1所示。注：表中正为拉应力，负为压应力加固前曲线内侧上缘PF1支座处法向拉应力达4153MPa,而规定最大拉应力限值通常取为2 MPa。经过体外预应力加固后,该处仅出现0133MPa的拉应力,符合规范A类混凝土正截面抗裂要求。（2）荷载短期效应组合下斜截面混凝土主拉应力验算。对结构进行加固前后的斜截面混凝土主拉应力验算,应力对比见表2。注：表中正为拉应力，负为压应力从表2可以看出,未加固前,匝道箱梁结构在PF1支座曲线内侧腹板上承托处存在1179MPa的斜截面主拉应力最大值,加固后该处斜截面主拉应力仅为1112MPa,下降幅度3714%,斜截面抗裂能力得到大幅提高。加固后截面各处的应力值满足规范A类混凝土斜截面抗裂要求。此外,对体外预应力筋端横梁锚固处及横隔梁转向处利用有限元软件建立实体模型,进行了局部构件应力分析,分析结果均满足规范要求,鉴于篇幅有限,本文对此不作详细说明。4结语通过对工程实例的研究分析,可知体外预应力加固能有效改善结构的应力状态,显著提高结构的抗裂性能,加固设计方案合理可行。体外预应力加固技术相比其他加固方法优势明显,有着良