橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固方法及計算
2015-08-04
我國現(xiàn)有公路橋梁有很多是根據(jù)20 世紀(jì)70 年代或80 年代初期頒布的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)建造的, 其設(shè)計荷載均較低。目前我國公路橋梁所承受的荷載有3 個特點:交通量不斷增大; 重型車輛增加及超載現(xiàn)象嚴(yán)重; 超限運輸?shù)某霈F(xiàn)和增加。隨著各種重型車輛, 尤其是工程用重型運輸車的不斷出現(xiàn), 公路橋梁負(fù)荷日趨加重, 加之舊橋部分老化、破損, 已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代交通運輸?shù)囊?對舊橋、危橋的加固維修, 以及如何提高其承載力的問題, 確保交通運輸?shù)陌踩悄壳昂徒窈竺媾R的主要任務(wù), 開展有關(guān)的維修與加固方法研究是非常有必要的。
一、體外預(yù)應(yīng)力加固常用方法
根據(jù)施加預(yù)應(yīng)力的方式不同，橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固的常用方法有：橫向收緊張拉法、縱向張拉法、豎向張拉法和頂彎梁法等。
1、橫向收緊張拉法
梁的兩端間隙很小時，一般采用橫向收緊張拉法。此法是在梁的下緣對稱梁中線安裝預(yù)應(yīng)力筋，在距梁端適當(dāng)距離處彎起并通過支點錨于梁端的錨固鋼板上，錨固鋼板呈Ｕ形套在梁端的下翼緣上。水平段的預(yù)應(yīng)力筋用撐棍分成若干段，兩端的撐棍還起到支點的作用。在每段中點用拉緊螺栓將兩對稱筋收緊，拉桿即產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。
2、縱向張拉法
縱向張拉法是沿預(yù)應(yīng)力筋的軸線施加預(yù)應(yīng)力的方法。預(yù)應(yīng)力筋沿梁底布置，到梁的兩端設(shè)導(dǎo)向塊處彎起，錨固于梁的腹板或頂板上，再沿梁底或梁頂進(jìn)行縱向張拉，以減小梁端的剪力。
縱向張拉錨固構(gòu)造主要有兩種，梁頂錨固和腹板錨固。
體外預(yù)應(yīng)力筋張拉方法與其構(gòu)造形式有關(guān)，張拉位置可以在梁頂沿斜筋方向張拉，亦可在梁底沿水平方向張拉。其張拉程序與預(yù)制混凝土梁的相同。
3、豎向張拉法
當(dāng)采用縱向張拉法不便施工時，可采用豎向張拉法。此法采用在梁肋兩側(cè)對稱布置預(yù)應(yīng)力筋，一般在梁端肋側(cè)錨固，在預(yù)應(yīng)力筋中部豎直向上張拉，在梁肋底部用小橫梁固定預(yù)應(yīng)力。
橫梁的作用在于固定豎向張拉產(chǎn)生的鋼筋預(yù)應(yīng)力，根據(jù)具體情況，橫梁可以設(shè)計成錨固于梁肋上不能滑動預(yù)應(yīng)力筋的固定支點或可以在梁底活動的活動支點。
二、人、鋼筋混凝土簡支梁體外預(yù)應(yīng)力加固的計算方法
1、體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征
體外預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)一般采用折線形式布置預(yù)應(yīng)力束。體外預(yù)應(yīng)力筋僅在錨固區(qū)域和折角處(轉(zhuǎn)向塊處)與結(jié)構(gòu)相連結(jié),體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的受力特性與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)類似。在使用荷載狀態(tài)下,采用彈性分析方法設(shè)計;在極限狀態(tài)下,一般按無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)分析設(shè)計。
2、體外索的配筋設(shè)計
體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失計算方法與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力計算基本一致，其中溫差損失可忽略不計；混凝土收縮、徐變可取為零。
體外預(yù)應(yīng)力筋面積的確定可由梁危險截面(通常是跨中截面)的抗彎強(qiáng)度確定。具體方法是：1檢算舊梁承載能力；2確定加固后要達(dá)到的承載能力，找出二者的差值；
3假設(shè)此差值完全由體外索承擔(dān)(偏于安全),初步確定力筋的有效預(yù)應(yīng)力和力筋偏距，然后預(yù)估體外力筋的面積；4根據(jù)抗剪強(qiáng)度和構(gòu)造的要求確定體外力筋轉(zhuǎn)向塊和錨固點的位置；5對該組合結(jié)構(gòu)按照《橋規(guī)》規(guī)定進(jìn)行各項檢算。然后根據(jù)驗算結(jié)果對初步方案進(jìn)行調(diào)整，直到滿意為止。
體外索內(nèi)力增量與活載的關(guān)系：加固時梁的受力特點是，預(yù)加力的實測值是在橋梁上部結(jié)構(gòu)恒載(含梁自重)作用下測取的，整個體系在恒載和預(yù)應(yīng)力的共同作用下處于平衡，該體系為一次內(nèi)超靜定結(jié)構(gòu)。對加固后混凝土梁截面應(yīng)力的檢算，需計算體外索在活載作用下的內(nèi)力增量。體系對外是靜定的，支座反力直接與恒、活載平衡，不影響體外索內(nèi)力增量的計算。
活載作用下，斜筋內(nèi)力與水平筋的內(nèi)力之比為A，即：N斜=A×N= N /(cosα±f0)式中，f0為力筋與轉(zhuǎn)向塊之間的摩擦系數(shù)，正負(fù)號與力筋的張拉方向有關(guān)，向外張拉時為負(fù)，反之為正。取跨中水平筋內(nèi)力為贅余力，單位力N=1時。力法方程為：
體外索的內(nèi)力增量為：ΔN=－Δ1p/δ11；體外索的應(yīng)力增量為：Δσy=－ΔN/Ay；使用荷載下體外索的應(yīng)力應(yīng)滿足：σy=σye+Δσy≤0.6Rjy。式中Ey、Ay、σye——體外預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量、面積及有效預(yù)應(yīng)力；E、A0、I——混凝土彈性模量、換算截面面積及慣性矩。
3、加固后梁的驗算
?。?）、正截面強(qiáng)度檢算
加固后的梁在使用荷載下的正截面應(yīng)力檢算，按照《橋規(guī)》規(guī)定的容許應(yīng)力法進(jìn)行。平衡方程為:
bxσh/2+ (b1-b)h1σh (2x-h1)／２x－Agσｇ－Ayσy=0
bx2σh／3+（3x-2h1）(b1-b)h21σh／6x +Agσg(h0-x)+Ayσy(hy-x)=0
據(jù)平截面假定，有σh=σgx／(hh0-x)聯(lián)立三式可得關(guān)于x的一元三次方程，從而可得到σg、σh,若滿足σg≤[σg]σh≤[σw]則滿足正截面強(qiáng)度要求，否則,應(yīng)調(diào)整配筋重新檢算。
（2）斜截面抗剪強(qiáng)度檢算
斜截面抗剪強(qiáng)度檢算仍宜按普通混凝土梁計算。加固后體系承受的外剪力由梁和體外索斜筋共同承擔(dān)。可從總的剪力中扣除體外索斜筋承擔(dān)的剪力,得梁承擔(dān)的剪力。檢算中,可取支座截面、1/4跨截面、腹板變厚度及箍筋變間距等處為驗算截面。
?。?）加固體系的裂縫驗算
用體外束加固的混凝土梁，由于體外束布置在梁體之外，與混凝土無粘結(jié)作用。因此,其抗裂性更接近與普通鋼筋混凝土梁。裂縫寬度計算公式：
δｆ=Ｃ1Ｃ2Ｃ3σｇ／Ｅｇ (30+ｄ)／(0.28+10ｕ)
式中各參數(shù)按公路橋規(guī)取用。其允許裂縫寬度采用橋規(guī)中普通鋼筋混凝土梁的允許裂縫寬度。
工程實踐表明，用體外束加固舊橋是非常有效的措施,具有加固、卸載及減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力的作用,值得更廣泛地推廣應(yīng)用。
