符汶大桥体外预应力加固技术研究

符汶大桥体外预应力加固技术研究

外部预测加固主要是在现有梁的外侧配置预制钢梁，加固梁体加固，然后通过张拉预制钢梁，使原梁形成带柔性钢梁的超静定结构，形成反弧，减少裂缝宽度，关闭裂缝，提高梁体承载能力，加固桥梁。这是后来张法预测技术的扩展应用。其优点体现在:(1)施工工序简单、养护维修方便、施工工期短,并且在施工中可以做到不影响交通;(2)加固费用少,体外预应力加固费用仅为新建桥梁的10%～20%,但是却可以使承载力提高30%～40%;(3)与相对的体内预应力技术相比由于没有与混凝土粘结,因此可认为预应力筋的应力基本沿全梁均匀分布,这样就减少了预应力摩阻损失,受力明确。但是由于钢束裸露在梁体外,因此对钢束的防腐、防火、防破坏成为体外预应力加固结构维护的重点,同时由于仅靠梁端锚固和梁身托座的支承传力,故梁端锚固、托座施工质量控制尤为重要。符汶大桥位于四川省峨眉山市,是省道103线途径峨眉山市的唯一通道,始建于20世纪60年代,上部结构由5孔10片钢筋混凝土T梁平行拼接而成,由于当时桥梁设计标准、施工技术的限制及常年的使用,“5.12”地震后桥梁上部桥面板及梁肋均不同程度出现裂缝,各梁横向连接部位铺装层出现开裂,下部横隔板也出现肉眼明显能观察到的较大裂缝,经检测该桥已经不能满足承载力要求,须对其进行加固处理。根据检测报告,结合桥梁设计使用要求,综合分析后采用体外预应力筋张拉加固。符汶大桥加固在每片梁两侧各设5束预应力钢束,总共为5束×2侧×10片梁=100束预应力钢束。钢束沿梁跨中呈直线、支座附近弯起的凹形布置,通过转向托座实现钢束的弯起,最后钢束在梁端桥面上锚固。1斜筋以及斜筋竖向分力施工阶段,对钢束在锚固端施加预拉力NK′,张拉完成后将钢束锚固在锚固端。张拉结束后整个体系处于平衡状态,此时斜筋的竖直方向分力使原梁产生负剪力和负弯矩,水平方向分力对原梁截面产生偏心压力。这种受力形式使得原梁体内储备了一定的抗力,可以部分抵消外荷载产生的内力,提高原梁承载力,起到加固的作用。其中,NXK为斜筋水平分力;DK为斜筋竖向分力;TY为摩擦力,TY=f0N,N为梁底转向托座的竖向压力,f0为转向托座与钢束之间的摩擦系数,施工阶段全梁受力分析见图1。对符汶大桥,上钢束锚固在桥面板上,锚固位置显然在截面重心以上,这时水平分力NXK在原梁截面处产生正的偏心弯矩,即使原梁下缘受拉,对原梁不利,但是由于锚固点的升高提供了较大的预剪力,有利于原梁的斜截面抗剪。所以体外预应力筋张拉加固的锚固位置应根据实际工程设计加固承载力和受力特点确定。2外荷载作用下的力法计算加固后梁在外荷载作用下梁体产生变形,相应的钢束水平筋及斜筋的受力大小、转向托座对梁的压力大小均发生变化。考虑符汶大桥采用固定式的转向托座,在外荷载作用下转向托座不发生移动,对转向托座进行分析,对X′在水平方向和竖直方向进行分解。其中,XP为水平筋中的拉力增量;X′为斜筋的拉力增量;DX为X′的水平分力,DX=X′cosα;DY为X′的竖直分力,DY=X′sinα;其他符号同上,外荷载作用下受力分析见图2。此时结构变成一种带柔性钢束的一次超静定结构,可以利用结构力学上的力法求解一次超静定,以外荷载引起的水平筋拉力增量为变量,截断水平筋,选取基本体系,列出力法方程又根据力法作图求解可知式中,δ11为单位荷载单独作用下钢束沿单位荷载方向的位移;Δ1P为实际荷载单独作用下钢束沿荷载方向的位移;XP为钢束实际受力大小;E为钢绞线弹性模量;A为钢束截面面积;I为钢束横截面惯性矩;M1为单位荷载作用下钢束所受弯矩;N1为单位荷载作用下钢束所受轴力;MP为实际荷载作用下钢束弯矩。将式(2)带入式(1)并结合钢筋混凝土设计原理中有关N、M的计算方法最终可得到由式(3)可知,体外预应力加固在钢束形式及各种材料确定后,水平筋的拉力增量只与预应力水平筋截面面积AY、外荷载集度q有关。对于体外预应力加固中涉及到的梁体裂缝宽度、挠度、预应力损失的计算主要原理与普通无粘结预应力混凝土技术相同,可参照文献或者参照相关混凝土结构设计原理中的计算方法。3锚固、锚具安装符汶大桥体外预应力筋加固施工主要分为:托座钻孔和安放,端部锚固处理及锚具安装,钢束布置和张拉。各阶段施工均应按照设计规定实施,对重点部位施工应加强监控,防止出现施工质量问题造成工程事故。3.1托座固定安装转向托座在预应力筋张拉过程中起到转向,并且同时传递压力的作用,所以施工中造成的安装位置偏差或是钢制托座制造误差都将影响整个加固的质量,所以钢制托座的制作及现场施工放线、钻孔、安放均应严格按照设计要求进行。符汶大桥钢制托座为椭圆柱形,与钢束接触的圆角保证了钢束在张拉过程中不至被卡住,减小摩阻力,钢制托座外缘增焊两根钢筋伸出托座,形成定位槽用以固定钢束位置,防止钢束偏摆。托座要喷涂防腐油漆,防止托座锈蚀造成预应力损失。施工过程中,首先进行精确的施工放线,定出托座安放位置。然后用冲钻从一端到另一端钻进,为防止单边钻进造成另一边形成漏斗形破坏,所以在一边钻进超过梁肋宽度一半以后再从另一端相同位置钻进,两边钻透。在施钻过程中,为避免钻到梁肋钢筋,需配合使用钢筋扫描仪。钻孔完成后安放钢制托座。3.2锚固处浇筑高强混凝土块锚固端作为钢束张拉位置,同时在张拉完成后的长期使用过程中一直承受着较大的压力,这对锚固端部位梁体结构的强度要求较高。由于符汶大桥使用时间较长,建造时所使用混凝土质量等级较低,旧梁端部混凝土强度较低,为防止锚固端在张拉预应力钢束后出现压碎破坏,所以在梁端锚固处重新浇筑高强度混凝土块。符汶大桥钢束在桥面上进行锚固,在浇筑锚固端混凝土块时要预留供钢束穿过的索孔,并且预留索孔的角度应根据钢束形状进行设置,避免造成卡角而造成张拉过程中钢束与混凝土摩擦损坏及较大的摩阻损失。桥面在进行钢束张拉和锚块施工养护过程中要暂时对桥面交通进行封闭,确保锚固块不被破坏,达到设计强度,见图3。3.3预应力混凝土梁与钢束张拉转向托座及锚固端锚具就位后,进行钢束穿索。体外预应力筋采用低松弛高强度钢绞线,为防止钢束暴露在空气中而加速锈蚀,对钢束最外层包裹PE塑料保护套管,钢束与套管之间的空隙处可以注入黄油。穿索完成后在对钢束进行张拉前要仔细检查锚具、转向托座是否安装牢固,转向托座在梁肋的两边要保证水平,否则由于两边位置偏离将会造成梁体两边受力不同,梁体两边的不均匀受力会导致梁体出现水平方向分力,最终全桥整体水平分力甚至会造成桥体侧移、严重降低桥梁的承载力。钢束性能应符合GB/T5223规定,进场后要进行验收,有必要的可以抽样进行承载力试验,看是否符合要求。施工过程中对钢束进行分级张拉,张拉程序与预应力混凝土梁相同。张拉在两边同时进行,同一片梁两侧的钢束要同步张拉,这样同一片梁两侧的钢筋才能有相同或相近的预应力状态。张拉过程要缓慢施力,并要实时监控,注意钢束、锚具、转向托座及梁体梁肋是否出现异常。张拉结束后应根据设计要求对钢束进行锚固,锚固应牢固可靠,否则将造成较大的预应力损失,甚至造成预应力丧失,导致桥梁加固失败。4体外预应力技术在桥梁加固中的应用符汶大桥的加固工程在2010年6月底已近结束,通过对桥梁的承载力检测及裂缝观测,发现该桥承载力有了大幅的提高,在这两个月的正常运营中并未发现有异常,桥梁承载力基本达