体外预应力技术在桥梁加固工程中的应用

体外预应力技术在桥梁加固工程中的应用

0体外预应力在简支体系桥梁加固中的应用近年来，随着中国交通运输业的发展，道路桥梁的负荷规模不断扩大。20世纪60年代和80年代修建的部分道路桥梁无法承受大型道路桥的负荷，因此存在不同程度的疾病。简支体系的桥梁在这些出现病害的桥梁中占据了相当大的比例,而体外预应力作为一种有效的加固方法在加固简支体系桥梁中得到了广泛的应用。预应力加固法能够有效地解决目前其他加固方法无法解决的后加补强材料应力滞后的问题,体外预应力索主动受力,充分发挥了补强材料的抗拉性能,,能够积极分担原梁承受的恒载,有效地提高桥梁的承载能力。1体外预应力筋体系某6跨(3×16.88m+3×11.5m)钢筋混凝土简支T梁桥,全长85.14m。桥宽5.74m(净-3.94m+2×0.9m人行道),由4片简支T梁拼装而成,行车道数为单车道单向行驶。桥梁横断面尺寸如图1~2所示。根据现场静载试验结果及理论分析,推定该桥目前承载能力为单车道公路Ⅱ级荷载。现对该桥进行体外预应力加固处理,提高荷载标准到单车道公路Ⅰ级荷载标准。采用的体外预应力筋构造形式为折线形,如图3所示。预应力筋采用15.24低松弛预应力钢绞线。2加固设计计算方法2.1预应力钢筋引起的损失φ15.24低松弛预应力钢绞线张拉控制应力值:σcon=0.65fptk=1209MPa,实际张拉时,取控制应力σcon=1200MPa。体外预应力损失的计算方法与常规预应力结构有相应的差别,应对体外预应力损失的计算做特定的考虑。在体外预应力结构中应考虑下列因素引起的预应力损失:(1)锚具变形和预应力筋回缩引起的预应力损失σl1;(2)预应力筋的摩擦引起的预应力损失σl2;(3)预应力钢筋松弛引起的预应力损失σl4;(4)混凝土的弹性压缩引起的预应力损失σl6。除此之外,还应考虑使用期间的温差损失σl3。由锚具变形和钢筋回缩引起的预应力损失,本例采用夹片锚具(有顶压):式中:l—张拉端至锚固端之间力筋的有效长度,直线形布筋取张拉端至锚固端间直线距离,折线形布筋取各段力筋长度之和;α—张拉端锚具变形和钢筋回缩值;Es—预应力钢材的弹性模量。预应力筋摩阻损失可按下式计算:式中:σcon—预应力筋张拉控制应力;μ—预应力筋与转向装置间的摩擦系数;θ—预应力筋轴心线之间的空间夹角。钢筋松弛引起的损失,当采用低松弛预应力钢丝或钢绞线且σcon≤0.7fptk时,式中:fptk—预应力钢筋抗拉强度标准值。式中:△t—年最高温度差,本例取25℃;αp、αc—分别为体外预应力筋和混凝土的线膨胀系数,如无实测资料时,可取αp=1.2×10-5,αc=1.0×10-5。混凝土弹性压缩引起的预应力损失可按下式计算:式中:αEP—预应力筋与混凝土的弹性模量比;△σpc—在计算截面先张拉的钢筋中心处,由后张拉各批钢筋产生的混凝土法向应力。本例采取对先张拉钢筋超张拉的方法,调整各梁的预加力,使得各梁最后的实际有效预加力基本相等,因此混凝土弹性压缩引起的预应力损失可视为0。体外预应力加固体系中预应力钢筋总的应力损失为:上述各项损失按其发生的时间可分为两组:(2)预压后发生的第二批损失用预应力度法求体外预应力筋的面积。当取预应力度λ=0.35时,计算所需体外预应力筋面积Ay=2.88cm2,选8Φ15.24低松弛预应力钢绞线作为加固的体外索,实际Ay=11.20cm2。用力法计算得:△Xp=37.56kN2.2预应力筋验算开裂截面的受压区高度为X=59.6cm开裂后换算截面中性轴的静矩Scr=99076.86cm3由所有力的水平投影之和为零可得:σcc=8.15MPa<[σck]=0.5fck=8.35MPa预应力筋验算:应力验算结果满足要求。2.3体外预应力筋应力增量的计算方法在荷载作用下,梁体的挠度主要由以下两部分组成:外荷载弯矩产生的挠度f1;预应力筋的作用(由有效张拉应力与应力增量之和)产生的反拱f2。其中外荷载弯矩产生的挠度f1的计算方法同一般预应力混凝土受弯构件,可参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)中的公式。下面主要介绍反拱挠度f2的计算方法。计算构件反拱必须确定体外预应力筋的应力,即体外预应力筋有效预应力与荷载变化时预应力筋应力增量二者之和。有效预应力是已知的,关键问题是确定荷载变化时预应力筋应力增量。现有针对简支体系的计算方法为力法、虚功法、能量变分法以及基于应力-变形关系的计算方法。其中哈尔滨工业大学对于使用荷载作用阶段的应力增量计算采用以能量变分法为基础,经公式简化推导和回归分析,得到了体外预应力简支梁体外索中应力增量的简化计算公式。具体可参考相关文献。开裂弯矩:Mcr=(σpc+γftk)W0式中:γ=2S0/W0=1.264;S0—全截面换算截面重心轴以上(或以下)部分面积对重心轴的面积矩;W0—换算截面抗裂边缘的弹性抵抗矩。Mcr=1068.73kN·m开裂后换算截面惯性矩:活载产生的挠度:考虑长期效应后:fq'=1.6fq=0.211cm预应力筋应力增量产生的反拱度:fp=0.078cm(↑)考虑长期效应后:fq'=1.6fq=0.156cm挠度验算结果满足要求。2.4验算系数根据公路桥规,裂缝宽度验算按下式:其中:钢筋表面形状系数:c1=1.0作用长期效应影响系数:与构件受力性质有关的系数:c3=1.0换算直径:d=25.71mm裂缝验算结果满足要求。2.5正截面承载力的计算公式体外预应力混凝土结构受弯构件承载能力计算与一般有粘结预应力受弯构件不同之处主要在于:(1)确定预应力筋在外荷载作用下的应力增量需要对整个结构进行分析,而不仅仅是对单个截面进行受力分析;(2)构件受荷载作用产生变形后引起的二次效应。对体外预应力混凝土结构进行精确计算是相当复杂的,且往往需要迭代过程;许多学者提出了不同的简化计算公式以解决这个问题。体外预应力结构与体内无粘结预应力结构的不同之处主要体现在二次效应上,因此当由于外荷载引起的预应力偏心距变化不明显的时候,设计人员可以考虑在体外预应力结构计算中采用这些经验公式,并通过合理的截面变形假定推导正截面承载力计算公式。中国《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ92-2004)推荐采用以下公式计算无粘结预应力筋的应力设计值。对采用钢绞线作无粘结预应力筋的受弯构件,在进行正截面承载力计算时,无粘结预应力筋的应力设计值σpu宜按下列公式计算:此时应力设计值σpu尚应符合下列条件:式中:σpe—扣除全部预应力损失后,无粘结预应力筋中的有效预应力(N/mm2);△σp—无粘结预应力筋中的应力增量(N/mm2);ζo—综合配筋指数,不宜大于0.4;lo—受弯构件计算跨度;h—受弯构件截面高度;hp—无粘结预应力筋合力点至截面受压边缘的距离。经计算得σp=1036.08MPa<1260MPa2.5.1抗弯强度试验属于第二类T形截面,由加固体系的抗弯强度为:抗弯截面满足桥规要求。2.5.2vp2—抗剪强度验算式中:Vcs—混凝土和箍筋共同承担的抗剪承载力;Vb—弯起钢筋的抗剪承载力;Vp1—由预应力筋水平分力所提高的抗剪承载力;Vp2—预应力筋竖向分力在梁上产生的剪力。式中:Npo—计算截面上混凝土法向预应力为零时,即消压状态时,体外预应力筋和体内非预应力筋的合力。考虑到预应力的有限作用,当Npo>0.3fcA0时,取Npo=0.3fcA0,A0为构件的换算截面面积。式中:Apy—体外预应力筋的总截面积;αpy—体外预应力筋在锚固端的切线角。抗剪截面满足桥规要求。3应采用的设计计算方法体外预应力加固结构在结构体系、构造形式、施工方