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大劉坡橋體外預應力的加固方案設計
2009-09-28 
大劉坡橋位于天津寶坻縣境內九園公路的潮白河上。橋全長790.3米,橋面寬度9米(即1+7+1),上部結構為56孔、5片跨徑14.1米的普通鋼筋混凝土T型簡支梁橋,橫橋向有3道橫隔板。橋面鋪裝為鋼筋混凝土(7.5~11~7.5厘米)和3厘米瀝青混凝土面層。每8孔為一道伸縮縫,其間為橋面連續(xù)鋪裝。舊T型梁外形(如圖1)。舊梁設計荷載等級:汽-13、拖-60。
  下部結構墩柱及蓋梁是在原橋位上游側95年重新設計建造的,為單排雙樁(柱)式,荷載等級:汽-20、掛-100。受公路發(fā)展公司委托,我院于4月12~13日對該橋進行了檢查。由于原有公路的技術標準低(汽-13、拖-60),通行能力差,加之目前交通量的增加和汽車載重的增加,上述舊橋是不能滿足承載力要求的。受資金和材料資源及斷交時間的限制,也不可能全部拆除并新建,只能考慮投資較少,工期時間短且能增加承載力的各種橋梁加固技術予以改造。這其中采用體外預應力鋼筋加工技術,確為一種簡單易行且能與新建下部結構荷載(汽-20、掛-100)看齊的有效方法。
  體外預應力加固方法的實質是以粗鋼筋、鋼絞線或高強型鋼等鋼材做為施力工具,對橋梁上部結構施加體外預應力,以其產生的反彎矩抵消部分外荷載產生的內力,從而達到改善舊橋使用其性能并提高其極限承載力的目的,本橋只涉及粗鋼筋的體外預應力加固提高荷載方案。 一、體外預應力構造:主要由四個部分組成

1、水平筋與斜筋:由高強螺紋粗鋼筋組成,構造見圖2,其作用是施加預應力提高梁的承載能力。

2、梁端錨固:先將梁端部分混凝土橋面板鑿掉,將梁端頂面上角鑿成與斜筋傾斜方向相垂直的斜面(需剪斷局部架立鋼筋和箍筋),在端橫隔板上開鑿與斜筋方向相同的斜孔,然后,將用角鋼或槽鋼制作的支承墊座用環(huán)氧砂漿固定在已鑿好的梁端斜面上。斜筋穿過橫隔梁和支承墊座的斜孔,用千斤頂進行張拉并用螺母錨固在支承墊座上,最后用混凝土將錨頭封閉,見圖3。

3、水平滑塊:由聯(lián)接斜筋和水平筋的活動滑塊支承座和固定在梁底的支承鋼墊組成,其構造見圖4,其主要功能是通過滑塊的水平滑動,以調整斜筋與水平筋之間的內力分配比例,并使表面受力趨于均勻。

二、體外預應力提高荷載等級計算:已知的設計參數(shù)如下:

1.T梁混凝土設計標號25Mpa。水平筋極限應力計算時,取,截面強度計算時取混凝土抗壓設計強度,取混凝土極限壓應變

2.原T梁配筋參數(shù):其T梁截面配筋見圖5

  跨中截面:,

  支點截面:,

,,

. 原梁斜截面內受拉縱向鋼筋的配筋率:

3. 體外索配筋參數(shù):

經加固設計分析,體外索水平筋取為,斜筋取為,均為冷拉Ⅲ級鋼(單控)。

  兩墊板中心之間的水平距離:,上錨固點至墊板中心的水平距離:

,

  體外預應力筋至T梁底距離

  體外預應力損失:

1)預應力鋼筋與水平滑塊之間的摩擦:因是水平張拉

2)具變形引起的預應力損失: ,因是水平張拉,故,查規(guī)范按計,

3)溫差引起的損失:。

、:分別為預應力鋼筋與混凝土的線膨脹系數(shù),

,Δt:為年最高溫度與施工時的溫度差;15°

  故:

4)分批張拉引起的混凝土彈性壓縮損失:因單片梁兩根水平鋼筋同時張拉,使單片梁間的。

5)鋼筋松弛引起的損失:一次張拉

6)混凝土收縮與徐變引起的應力損失

  因舊橋混凝土的收縮與徐變在長期使用過程中已基本完成。體外筋加固體系并不會使橋梁恒載增加許多,且使原梁受壓區(qū)的應力明顯減少。因此,即可近似取混凝土收縮、徐變損失。于是,體外筋加固中預應力鋼筋總的應力損失為:

預應力水平筋重心到截面上邊緣的距離

  無粘結預應力筋的有效預應力,滑塊與梁底之間的摩擦系數(shù)(屬于滑動摩擦),反映斜筋與水平筋拉力之比的系數(shù),體外斜筋中的有效預應力

1、計算體外鋼筋的極限應力:

  由于水平筋和斜筋在材料及其截面面積方面的差別,其有效預應力是不同的,亦即兩者的應變量也不同。若以水平筋的應變?yōu)闇?,將斜筋的應變狀態(tài)換算為水平筋的應變狀態(tài),并在此情況下求出體外筋的總長度,即為體外筋的換算長度。式中分別為體外預應力水平筋和斜筋中由有效預應力產生的應變。

,則。令:。梁跨中破壞  截面的剛度與極限狀態(tài)下梁體各截面平均剛度的比值,體外預應力鋼筋換算長度與梁的計算跨徑之,與支承條件有關的撓度系數(shù)對于按均布荷載考慮的簡支梁由彈性變形理論可求出,體外水平筋配筋率,原梁受拉鋼筋配筋率,原梁受壓鋼筋配筋率,參照現(xiàn)行公路橋規(guī)(JTJ023-85)中對鋼筋混凝土和預應力混凝土受彎構件的強度計算方法,按矩形截面試算:體外水平筋的極限應力,R ab’iχ=σAy+AgRg-A’gR’g 則,令水平筋極限高度系數(shù)ξy為梁發(fā)生截面破壞時實際受壓區(qū)高度χs與體外水平筋重心到梁頂面的距離之比,即,

∴,再將代入上式,可得 ,將此式展開并經整理即得矩形截面體外水平筋極限高度系數(shù),為體外水平筋的極限應力增量,其上式中

  由圖6中假定當最大彎矩截面發(fā)生破壞時,兩個未破壞的梁段均發(fā)生剛性轉動,即無撓曲變形的幾何關系,三角形的相似比可建立如下幾何方程:; :體外預應力鋼筋的總伸長值。:梁破壞時的極限撓曲值。 :梁發(fā)生截面破壞時實際受壓區(qū)高度。由上式得:,根據總伸長量即可求出體外預應力鋼筋的極限應變增量;考慮體外筋中有效預應力的影響后,體外預應力筋的極限應變其中εy為體外預應力水平筋中由有效預應力產生的應變。由于體外水平筋在梁達到極限狀態(tài)時并不屈服,因此,將上式兩端分別乘以預應力鋼筋的彈性模量,則體外水平筋的極限應力可用下式表示:此式第二項即為體外預應力水平筋的極限應力增量,又由于與加固梁跨中極限撓度則可導出:將其化簡后可得一關于水平筋極限應力增量的一元二次方程。即:;式中系數(shù)

解方程::即:;

解出::;則水平筋極限應力為:

其體外斜筋極限應力公式為:;由于體外斜筋與水平筋配筋面積不同,取大者,;則

2。計算抗彎強度

由于%26lt;

,說明中性軸在T梁的頂板內,即為第一類T形。因而按寬度為的矩形截面計算抗彎強度。在此可忽略受壓區(qū)鋼筋的影響,則由規(guī)范公式計算中性軸位置:

受拉鋼筋合力作用點到體外索水平筋重心的距離為:

;

  再由規(guī)范公式計算加固體系的抗彎強度:

  該梁提高等級后由汽車荷載控制設計,跨中截面的最大計算彎距;

  因此經體外筋加固之后,梁的抗彎強度滿足設計。

3.計算抗剪強度

  該梁最大支點剪力由掛車-100控制,其值為;作用在梁端部體外筋中的預加力應作為外力考慮,其豎向分量將抵消一部分外荷剪力。假定在極限狀態(tài)下,體外斜筋中的應力為,考慮材料安全系數(shù)后,則其預剪力的豎向分量為:;

;

;計算表明,經體外筋加固后梁端不會出現(xiàn)斜壓破壞。

  由規(guī)范(4.1.10-2)及(4.1.10-3)式得:

經體外筋加固后,該梁抗剪強度滿足要求。

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