预应力技术在桥梁加固中的应用研究.docx

预应力技术在桥梁加固中的应用研究谌润水1 刘群安2 金三仔3(1江西省交通科学研究院 南昌 3300380)(2江西省吉安市公路管理局 吉安 331300)(3江西省宜春市交通局 宜春 33600）摘 要：现代预应力技术推动了土木工程的快速发展，同时也为桥梁加固提载提供了一种主动的、有效的技术和方法。随着预应力技术的发展，新的预应力材料和锚固体系的出现，使得这一技术和方法在桥梁加固领域的应用前景非常广泛。本文着重介绍了江西省四座公路桥梁成功应用预应力技术实施加固维修或改造提载的实例，以期对预应力技术在桥梁加固中的应用研究起到推动和参考作用。关键词：桥梁工程；预应力；技术；体外索；加固；研究200 前 言0.1 现代预应力技术的发展预应力是指在构件（或）结构中预先施加应力，预应力技术则是指预应力的锚固方式与张拉体系（简称锚固张拉体系），包括结构的设计计算、预应力的施加与锚固、预应力材料等方面。自从1928年法国工程师欧仁费莱西奈（Enugene Freyssinet）成功地发明了可靠而又经济的张拉锚固工工艺技术，首次将高强钢丝应用于预应力混凝土结构中，从而推动了现代预应力材料、设备及工艺技术的发展。在现代预应力技术的发展过程中，随着预应力筋及预应力张拉锚固体系性能的不断提高，预应力施工艺也在不断完善和创新。因此，预应力技术的应用已使得预应力混凝土结构成为当前世界上最重要、最有发展前途的结构之一。0.2 我国预应力材料的发展在我国预应力工程中，预应力筋按材料类型可分为：钢丝；钢绞线；钢筋；非金属预应力筋。根据预应力筋深加工工艺或施工方法的不同，预应力筋又可分为：有粘结、缓粘结、无粘结和体外预应力筋。随着预应力技术的发展和实践经验的积累，预应力筋已开发出多种高强度的品种，配套形成一系列制作、张拉、锚固、保护与防腐蚀工艺，在此基础上开发形成了多种预应力工法和专利技术。而预应力锚固体系经过几十年的发展，技术已臻完善；预应力产品标准化、系列化，品种齐全，可以满足各种不同的需要。1 预应力技术在加固桥梁中的应用研究1.1 预应力加固技术预应力加固技术实质上就是对结构施加体外预应力，以抵消部分外荷载产生的内力。它类似于分阶段后张预应力的施工方法，即在原结构使用后，部分施加预应力或不施加预应力，在荷载增大后，施加相应的预应力，只不过这部分预应力筋放在结构外罢了。从另一角度来说，预应力加固法就是在原结构上增加中间弹性支座，以减小原结构内力。预应力加固法是一种主动加固法，它能通过合适的预应力值来改善原结构的应力变形状态，增加结构构件的承载能力。特别是近年来，随着体外预应力技术的发展，预应力加固技术的理论、工艺更趋完善，使用范围更为广阔。1.2 体外预应力技术特点体外预应力技术由于具有以下特点，而在桥梁加固中得到广泛的应用。（1）能在结构使用期内检测、维护和更换；（2）由于预应力筋与混凝土截面分离，既提高了混凝土本身的施工质量，又方便了预应力束的施工，并提高其施工质量；（3）束形简单，摩阻损失小。1.3 体外预应力加固方法的特点（1）能较大幅度提高或恢复桥梁的承载能力和抗裂度，加固效果明显；（2）施工工艺简单、干扰交通少、所需设备简单、人力投入少、工期短、经济效益明显；（3）对原结构损伤小，可做到不影响桥下净空，不增加路面标高；（4）预应力加固需要可靠的防腐措施。1.4 体外预应力加固的力学特点预应力加固方法实际上是使被加固结构成为一个带柔性拉杆的超静定结构，与其它预应力结构或其它加固方法不同的是：加固前桥梁所受荷载由恒载和活载组成，预应力筋的张拉控制值是在上部结构的恒载作用下读取的，即带载加固。因此在计算预应力筋荷载作用下的应力增量时，应仅考虑活载的作用。根据上述受力特点，可将预应力加固桥梁结构分为施加预应力与活载作用两个阶段进行受力分析。另外应注意，对于体外预应力混凝土结构，任一截面处预应力筋的应变变化值与该处混凝土的应变变化值并不相同，类似于无粘结预应力筋。1.5 体外预应力加固的适用条件（1）适用于正截面受弯承载力不足或正截面受拉区钢筋锈蚀的情况；（2）适用于梁抗弯刚度不足导致梁的挠度超过规范规定，或由于刚度太小导致梁的受拉区裂缝宽度超过规范规定的情况；（3）适用于梁斜截面受剪承载力不足的情况。1.6 体外预应加固的不利影响（1）预应力加固完成后，由于预应力的作用，原来的受力结构会出现不同程度的卸载现象，导致原结构发生内力重分布；（2）由于预应力筋转向块和锚固点处存在巨大的集中力，这一区域的受力比较复杂；（3）由于预应力筋一般布置在梁截面外部，易受环境（如温度、酸性气体等）的影响；（4）预应力筋一般不能参与局部裂缝控制。下面根据预应力筋的分类、所处的位置和不同的施工工艺，介绍江西省四座公路桥梁成功应用预应力技术实施加固维修或改造提载的实例。2 先体外后体內预应力加固桥梁技术2.1 大桥概况灵溪大桥位于320国道上，该桥于1970年10月由七孔不等跨八字撑架木梁桥改建成七孔不等跨简支钢筋混凝土梁桥，全长120m。该桥上部构造为四梁式T梁，混凝土标号为旧170号。各孔梁长依次为8.29、16.78、15.94、16.11、16.11、16.94、及11.06m。下部构造均为重力式墩台、八字墙。该桥设计荷载为汽13、拖60，桥面净宽为净-7+20.5m人行道。该桥通过的交通量较大，现加固拓宽为荷载标准汽20，挂100，桥面净宽为净-9+21.5m人行道。2.2 原桥主梁加固增强方案首先，通过预应力水平钢丝束对被补强梁施加水平预应力，改变受弯梁构件内力图式，在支座处产生附加弯矩，抵消了部分恒载弯矩，减少梁的跨中弯矩，提高了被补强梁的正截面抗弯强度、刚度和抗裂性。再以喷射混凝土增加梁截面来提高梁支座附近斜截面的抗剪强度，并因包裹了预应力钢丝束，可使钢丝束防锈蚀。2.3 原主梁的预应力加固技术该预应力加固体系由预应力钢丝束、梁端钢垫板及弗氏锚具组成；每片梁每侧各设一束预应力钢丝，每束为165钢丝，水平置于距梁底面以上10cm处。钢丝束张拉后，用12号砂浆封锚，再以喷射混凝土将预应力钢束裹覆。(1)梁端锚固系统见图1和图2所示；(2)预应力材料：预应力钢丝采用高强度低松弛钢束，由165钢丝组成；锚具：弗氏锚；锚下垫板：采用3号钢，板厚30mm，平面尺寸200740mm；(3)喷锚混凝土：25号混凝土。图1 梁端锚固系统（单位：mm）图2 梁端锚喷混凝土后断面（单位：钢筋直径为mm；其余为cm）2.4 大桥拓宽加固后静载试验结论（1）由测试资料可知，加固拓宽前后跨中加载弯矩增大1.631倍时，实测的边T梁挠度和梁底受拉区钢筋应力仅分别增大1.071倍及1.063倍，可见该桥在加固拓宽后上部结构承载能力大，安全可靠。（2）由测试资料推测的汽20荷载作用下梁的应变、应力值与行人荷载、恒载作用下梁的应变、应力值均较容许值为小，可见加固拓宽后桥梁结构完全满足设计要求。2.5 大桥加固效果评价灵溪大桥采用先以体外预应力加固T梁，后用锚喷混凝土使预应力钢束与梁体粘合的加固方法，它不仅使梁的抗弯、抗剪强度及刚度得以增大，且能有效地防止预应力钢束因暴露在大气中引起锈蚀，也减少了今后养护工作和费用。该方法通过施加预应力，主梁将会产生上拱，这对改善旧桥的下挠状况是十分有利的，且可使裂缝减小或闭合。喷射混凝土包裹着预应力钢筋，既发挥了预应力的作用，又发挥了喷锚混凝土优越性，也解决了体外预应力钢材养护难题，经济效益十分显著，为类似桥梁的加固改造提供了一种十分有效的好途径。3 斜撑式体外预应力加固桥梁技术3.1 大桥概况上顿渡大桥在江西省抚州市境内，大桥原设计荷载为汽车13级，拖车60，桥面净宽为净-7+20.75m人行道，上部构造为11孔22.2m无横隔板装配式钢筋混凝土T梁，横向五根梁， 1969年10月建成通车。3.2 T梁加固提载设计要点上顿渡大桥位于省道抚八线上，交通十分繁忙，条件不允许中断交通进行加固，经多方案比较后决定采用基本上不中断交通的体外预应力钢筋加固提载法。根据结构分析计算和加固前的静载试验，上顿渡大桥基本状况良好，承载能力为汽车15级左右，采用斜撑式体外预应力筋加固方式，既能明显提高跨中断面的抗弯能力，又能改善斜撑内断面的抗剪能力。3.3 大桥加固提载后静载试验结论（1）在恒载+汽车20级静载作用下T梁底部钢筋应力最大为117 MPa，小于160 MPa，且比加固前的最大值168.4 MPa小51.4 MPa，说明T梁经加固后承载能力大大加强，达到汽车20级的承载能力要求。（2）在恒载+汽车20级荷载作用下预应力加固钢筋应力最大为355.6 MPa，小于560 MPa，能够满足汽车20级荷载要求。（3）加载时各测点的读数稳定，卸载后各部位图3斜撑式体外预应力筋布置图（尺寸单位：a图为cm b图为mm）的应变或挠度恢复迅速，其相对残余变形值较小，表明桥孔各部件（T梁、支座）均处于弹性工作状态，受力状态良好。4 无粘结体外索预应力加固T构桥4.1 大桥概况 井冈山大桥位于江西省吉安市市区，全长1090m，桥面净空：净-7+21.5m人行道；设计荷载为汽车13；拖车60；人群3.5KN/m2。上部结构为16孔预应力钢筋混凝土带挂孔悬臂T构，孔径分别为：48.13+1471+48.13m；T构两端悬臂长各23.5m，横截面为单箱双室。每跨挂孔由五片预制吊装普通钢筋混凝土T梁构成，挂孔跨径为21m。大桥于1970年5月1日通车。4.2 加固前大桥主要病害(1)大桥悬臂箱梁的部分预应力筋锚头已严重锈蚀（特别是9号块牛腿），而该桥为预应力干接缝悬拼施工，因而预应力筋锚头锈蚀给全桥的正常使用造成严重的威胁和隐患。(2)桥面纵向成波浪型，各孔挂梁跨中部位有明显下沉，且桥面混凝土破损极其严重，使车辆过往产生较大的冲击力。4.3 大修加固设计要点墩上部凿开孔洞，在箱梁中采用植筋技术，设置齿板，用体外束（无粘结束）对箱梁进行加固。设计中对长束采用可调式体外束锚具，是考虑到结构性能的不确定性，在需要调整束力大小时，比较方便。体外索布置如图4所示。4.4 体外预应力索内力测试结果(1)检测采用振动测试及有限差分法，对井冈山大桥T构箱梁加固体外预应力索进行了认真的检测分析，通过频谱分析技术和结构计算，得出了各拉索的轴向内力。(2)索力测试结果表明，最大索力为1093.6KN，和张拉控制力1094KN一致；最小索力为835.7KN，是张拉控制力的76.4%，在考虑扣除正常的预应力损失后仍属于正常预应力范围内。5 环氧喷涂体外预应力束加固桥梁技术图4 体外预应力索立面布置图（单位：cm）5.1 大桥概况吉安赣江公路大桥全长1577m，主桥桥孔布置为60m+4100m+60m预应力混凝土连续箱梁，采用双箱单室连续箱梁，下部构造为钻孔灌注桩配预应力混凝土V形墩。通过全面检测，在大桥主桥结构中主要发现V墩所有的拉板都有明显的下挠现象，拉板根部上缘开裂明显，有的裂缝甚至已经贯穿顶面和底面，表明拉板中的预应力已部分失效。经计算，当V型墩拉板有效预应力损失达20%时，拉板与伸臂连接部位上缘最大主拉应力为2.11Mpa；当有效预应力损失达30%时，拉板与伸臂连接部位上缘最大主拉应力为5.42MPa（已超过C50混凝土的抗拉设计强度，该截面势必产生裂缝）。经采用Ansys非线性分析模块计算，若有效预应力损失达30%，拉板与伸臂连接部位完全开裂时，拉板跨中下挠19.14cm，比实测最大下挠值16.5cm稍大，因而分析拉板预应力损失应在20%30%之间。5.2 V型墩拉板的维修加固要点根据V墩拉板的作用及结构计算结果，分析拉板的实际预应力损失在20%30%之间，采用增设环氧喷涂体外无粘结预应力束加固拉板。由于环氧涂层预应力钢绞线其表面均匀喷涂了环氧树脂保护层，使得预应力钢绞线不仅具有足够的强度和韧性，还有较强的耐腐蚀性。经计算并综合考虑各因素的影响，在每个V墩上各设置12束j15.24（上、下游侧V墩各6束）高强度低松驰预应力体外束（Rby=1860MPa，K=1116MPa）。环氧喷涂体外无粘结预应力束加固V墩拉板布置如图5所示。图5 体外无粘结预应力束加固V墩拉板立面图（单位：cm）6 结 语1、预应力加固法是一种主动加固法，能较大幅度的提高构件的承载能力，在加固方法选择过程中，宜优先考虑。2、对桥梁上部结构施加体外预应力，以预加力产生的反弯矩抵消部分荷载产生的内力，可达到改善其使用性能和提高其承载能力的作用。体外预应力技术用于桥梁的维修和加固，具有施工简便、工期短、投入少、效果明显等特点，且可在不中断交通的情况下实施，对结构的损伤也小。3、体外预应力结构的最主要力学性能特点是：体外预应力索对截面的偏心距会随着构件弯曲下挠而减小，从而减小了预应力的作用。4、体外预应力混凝土结构特别是钢索可以更换的体外预应力结构，其对锚具有巨大的依赖性，一旦锚具组件出现问题，其后果将是灾难性的。因此，体外预应力锚具组件本身必须能提供比一般体内预应力锚具高得多的可靠性和安全性。同时，体外预应力索要承受体内预应力索更不利的动