公路橋梁施工中預應力加固技術探討
2015-08-17
1引言
2O世紀9O年代初，混凝土橋梁的耐久性已引起世界各國的重視，通過對大量具有2O年以上橋齡的混凝土橋梁的養(yǎng)護管理實踐，人們發(fā)現(xiàn)橋梁的混凝土開裂、剝落、衰變及鋼筋的銹蝕(管道灌漿不飽滿普遍存在)對橋梁的損害問題非常嚴重，已成為迫切需要解決的問題，嚴重損害的橋梁己危及交通的安全，需要大量的資金來維護或改建，嚴酷的現(xiàn)實使人們開始重視混凝土橋梁的耐久性。
提高混凝土橋梁耐久性的技術途徑有兩個，一是采用高性能混凝土，以提高混凝土的抗?jié)B性、勻質(zhì)性、抗凍性，從而提高混凝土抵抗碳化和冷凍侵襲的能力；另外一種是提高既有橋梁耐久性的有效途徑即對缺陷橋梁進行加固改造，延長其使用壽命。
2橋梁加固
橋梁加固改造是運用有效可行的技術手段對橋梁結構物進行補強加固及拓寬，其根本目的是恢復和提高其承載能力及耐久性。目前，常用的橋梁加固方法很多，從大的方面劃分可分為上部結構補強加固和下部結構補強加固。橋梁上部結構補強加固方法又分為改變結構受力體系方法和不改變結構受力體系方法兩類。從后加補強材料是否具備預應力及基本受力原理來看，橋梁上部加固又可劃分為兩大類，即主動加固和被動加固。
2.1橋梁主動加固原理
在受拉區(qū)(或抗剪薄弱區(qū))直接增設補強材料，例如：補焊鋼筋、粘貼鋼板、粘貼高強復合纖維材料(碳纖維、芳綸纖維)等。這種加固方法從作用原理上講屬于被動加固范疇。實際上設計時必須考慮帶載加固及分階段受力特點，構件自重及恒載由原梁承擔；活載由加固后的組合截面承擔，后加補強材料強度發(fā)揮程度受原梁變形的限制。
2.2橋梁被動加固原理
為解決后加補強材料“應變滯后”，提高后加補強材料利用率，對后加補強材料施加預應力，采用預加力原理進行加固補強。從作用原理上講預應力加固屬于主動加固范疇。后加補強材料主動受力，由于預加力的作用，改善了原梁的應力狀態(tài)，以達到提高原梁承載力和抗裂性的目的。
目前，橋梁結構中采用的預應力加固體系主要有三種：即體外預應力加固體系、高強復合纖維預應力加固體系、有粘結預應力加固體系。
3體外預應力加固體系
3．1 發(fā)展背景
7O年代，隨著交通運輸?shù)陌l(fā)展，舊路改造及舊橋加固引起世界各國的普遍重視，很多國家開展了舊橋加固研究，在歐洲一些國家，采用體外預應力技術加固橋梁，提高原橋的荷載等級，收到了明顯的經(jīng)濟效益，體外預應力技術在舊橋加固中的應用，又促進和加深了人們對體外預應力技術的認識。
實際上，體外預應力技術伴隨著預應力技術的產(chǎn)生而出現(xiàn)，并且利用體外預應力技術修建混凝土橋梁先于體內(nèi)預應力技術，因此它是一門古老的新生技術。早在1934年德國人迪申格爾的體外無粘結筋技術便取得了德國和法國的專利，并于1936年建成實橋。但由于處于體外的鋼筋防銹蝕技術不成熟，致使橋梁養(yǎng)護、維修費用很高，因而在很長時期內(nèi)阻礙了這一技術的發(fā)展。
90年代以來，體外預應力技術在國外得到了迅速發(fā)展，這一方面是由于人們對混凝土耐久性認識的提高，迫切期望創(chuàng)造一種具有防腐性能的結構，為體外預應力技術的發(fā)展提供了廣闊的市場；另一方面，隨著斜拉橋技術的發(fā)展，成功地解決了鋼絲的防銹蝕和大噸位錨頭的設計和施工問題，消除了體外預應力技術發(fā)展的最大障礙，使體外預應力技術的發(fā)展獲得了新生。
隨著體外預應力設計理論及實用技術的不斷發(fā)展，反過來又進一步促進了體外預應力加固舊橋的應用。
3．2 作用原理
體外預應力加固是將具有防腐保護的預應力筋布置在梁體的外部(或箱內(nèi))，對梁體施加預應力，以預加力產(chǎn)生的反彎矩抵消部分外荷產(chǎn)生的內(nèi)力，達到改善梁的使用功能和提高梁的承載能力的目的。
體外預應力加固是目前采用較多的加固方法之一， 特別適用于在大跨徑預應力混凝土連續(xù)箱梁連續(xù)T構箱梁橋的加固。體外預應力筋錨固在梁端(或中間)橫隔梁上，跨間用轉向塊調(diào)整預應力筋的角度，以適應梁的受力要求。
嚴格來講，體外預應力、體內(nèi)無粘結預應力、包括斜拉橋在內(nèi)，都屬于無粘結預應力結構。無粘結預應力結構理論分析的核心問題是預應力鋼柬在各受力階段的應力增量計算問題。
3．3 技術特點
與普通預應力混凝土結構相比，體外預應力混凝土結構具有如下主要優(yōu)點：
?、袤w外預應力鋼筋可以是不可更換的，也可以設計成可更換、可補拉的，可更換的體外力筋，易于維修、養(yǎng)護、加固；
?、隗w外預應力加固舊橋構造簡單，簡化了施工；由于梁肋中不設管道，避免了截面削弱；體外配筋方式取消管道灌漿工序可實現(xiàn)全年施工，對處于寒冷地區(qū)的北方各省具有十分重要的現(xiàn)實意義；
③減小了鋼筋柬的摩阻損失，預應力筋利用效率高，力筋應力變化幅值小，對抗疲勞有利。體外預應力加固混凝土橋梁在我國的推廣應用，為解決工程上長期困擾的混凝土耐久性問題提供了可能，橋梁耐久性的提高，使用壽命的延長(換一一次索或補拉一次，可延長使用壽命長達20年)，可為橋梁養(yǎng)護管理及加固補強帶來可觀的直接經(jīng)濟效益，其間接和長期經(jīng)濟效益亦相當顯著。
4 高強復合纖維預應力加固體系
目前，工程上應用的高強復合纖維主要有芳倫纖維及碳纖維(FRP)，由于碳纖維材料在橋梁加固中的應用廣泛，技術成熟，故本文主要介紹碳纖維預應力加固。
4．1 問題提出
工程上采用較多的是在結構受拉區(qū)或抗剪薄弱區(qū)域，直接粘貼纖維的加固方法。就實際工程中大量遇到的承載力加固而言，采用在受拉區(qū)直接粘貼碳纖維布的被動加固方法，后加補強材料是不能充分發(fā)揮作用的。按照分階段受力特點，直接粘貼的后加補強材料只承擔活載內(nèi)力；與原梁鋼筋相比，其應變嚴重“滯后”。極限狀態(tài)下，其強度的發(fā)揮程度受原梁變形的限制，一般情況下達不到其抗拉強度設計值。
計算表明，對原梁高度較小、配筋率較大的情況，加固設計以混凝土壓應變達到極限值控制設計，在極限狀態(tài)下，后加補強材料的應力僅為700～800MPa，此值只相當碳纖維抗拉強度標準值的(21．2％～24．2％)；對原梁高度較大、配筋率較小的情況，加固設計以原梁鋼筋應變達到極限值0．01控制設計，在極限狀態(tài)下，后加補強材料的應力也只有2000MPa左右，此值相當碳纖維抗拉強度標準值的60％。由于受原梁變形限制，在極限狀態(tài)下高強復合纖維的高抗拉性能根本無法充分發(fā)揮作用，造成一種極大的浪費。而且，不加分析的盲目增加后補強材料的用量，加固后構件可能發(fā)生超筋脆性破壞，設計是不安全的。
4．2作用原理
為了提高碳纖維材料的利用效率及增強舊橋加固效果，對碳纖維材料施加預應力是一種有效的辦法。
碳纖維預應力加固的作用原理為，利用錨固粘貼于被加固梁體上的碳纖維布條(或板條)對梁體施加預應力，改善加固梁的受力狀態(tài)，其關鍵技術是解決適應于橋梁現(xiàn)場施工的預應力纖維布(或板)的張拉、錨固問題。
目前，這種加固體系尚處于試驗研究階段。
4．3 技術特點
?、俑邚姼咝?。由于FRP優(yōu)異的物理力學性能，在加固修補混凝土結構中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高混凝土結構構件的承載力和延性，改善其受力性能，達到高效加固修補的目的。
②線膨脹系數(shù)與混凝土接近，保證了溫度變化時，F(xiàn)RP與混凝土可以協(xié)同工作。
?、凼┕け憬?、工效高、沒有濕作業(yè)，不需大型施工機具，施工占地少，施工效率高。據(jù)有關資料統(tǒng)計，粘貼FRP是粘貼鋼板施工工效的4～8倍。FRP輕質(zhì)柔軟，易貼附，與粘貼鋼板相比其施工質(zhì)量更易保證。
?、懿辉黾訕嫾淖灾睾腕w積。FRP質(zhì)量輕且厚度很薄，經(jīng)加固修補后的構件，基本上不增加原結構的自重和尺寸，也就不會減少建筑物的使用空間。
⑤具有很好的耐腐蝕性和耐久性能。試驗表明：碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維具有良好的耐腐蝕性和耐久性，可以抵抗建筑物中經(jīng)常遇到的酸、堿、鹽等對結構的腐蝕。使用此材料加固后，不僅不需要對其進行定期維護，而且其本身更可以對內(nèi)部混凝土結構起到保護作用。
?、捱m用面廣。可廣泛用于各種結構類型(如建筑物、構筑物、橋梁隧道、涵洞、煙囪等)、各種結構形狀(如矩形、圓形、曲面結構等)、各種結構部位(如梁、板、節(jié)點、拱、殼、墩等)的加固修補，且不改變結構形狀及不影響結構外觀，這是目前任何一種結構加固方法都不可比擬的。
5 有粘結預應力加固體系
5．1作用原理
利用錨固于被加固梁體上的小直徑預應力筋，對梁體施加預應力，然后噴注具有較高抗拉強度的復合砂漿，將預應力筋與被加固梁體粘結為一體，構成有粘結預應力加固體系。
有粘結預應力加固體系以其預應力筋錨固簡單、張拉施工方便、結構耐久性好，材料利用效率高的技術優(yōu)勢受到國內(nèi)外土木工程界的重視。有粘結預應力加固體系特點適用于中、小跨徑鋼筋混凝土T梁、空心板梁、箱梁橋的加固，尤其是對高速公路及城市立交工程中大量采用的中等跨徑的鋼筋混凝土及預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，由于受箱梁高度的限制，在箱內(nèi)布置體外預應力筋有困難的情況下，采用在箱梁底板部增設預應力筋，然后噴注高性能抗拉復合砂漿的有粘結預應力加固體系是理想的加固方案之一。
5．2 技術特點
與體外預應力加固體系相比有粘結預應力加固體系的突出優(yōu)點是：
?、倌茏畲笙薅鹊陌l(fā)揮后加補強材料的作用，提高材料的利用效率；
?、趪娮⒌母咝阅芸估瓘秃仙皾{保護層?？固蓟涂孤入x子侵蝕能力強，保護鋼筋免于銹蝕，提高結構耐久性，延長結構使用壽命；
?、劭啃⌒湾^具和高性能抗拉復合砂漿粘結的雙重作用錨固預應力鋼筋，錨固工作更為安全可靠。
6結束語
為適應橋梁加固市場的需求，國內(nèi)研究開發(fā)的高性能抗拉復合砂漿(簡稱HTCM砂漿)已供市場，其抗拉強度、粘結性能及抗碳化、抗氯離子侵蝕能力均略高于AP砂漿、采用2股或3股鋼絞線、螺旋帶肋鋼絲及小直徑高強粗鋼筋等國產(chǎn)鋼材做預應力筋的張拉、錨固系統(tǒng)的試驗研究已取得階段性成果，為有粘結預應力加固在我省的推廣開辟了新的途徑。
采用有粘結預應力加固體系，可以提高結構的耐久性，延長結構使用年限2O～3O年，由此帶來經(jīng)濟效益是巨大的。
