公路桥梁体外预应力加固技术研究

徐先悦

(中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司)

1 引 言

随着我国经济的飞速发展,公路运输量大幅度提高,车辆载重和行车密度不断增加,作为公路交通的咽喉,桥梁使用功能的好坏直接影响公路交通的畅通,其正常营运是确保交通安全的关键。然而桥梁结构由于设计过程中的历史局限或是施工过程中的初始缺陷、各种意想不到的自然灾害、自然老化,造成现有桥梁中的相当一部分已经满足不了正常营运的要求。工程实践表明,可采用合理可行的加固措施,提高或恢复桥梁的通行能力和承载能力,延长其使用寿命。一般情况下,桥梁的加固费用仅为新建桥梁费用的 10%～20%。因此,如何选择有效的施工技术加固现有桥梁,具有很大的经济效益。

在现在的加固技术中,体外预应力加固由于其具有施工简单、快速、不增加结构自重等优点,被大量应用于旧桥加固。本文将结合具体的工程实例,介绍体外预应力加固技术。

2 体外预应力的概念及优点

2.1 体外预应力的概念

体外预应力技术,是指将预应力筋布置在结构构件截面之外的预应力技术,是后张预应力体系的重要分支之一。采用体外预应力技术加固混凝土结构时,体外预应力束一般采用折线形按在梁的跨中部分,体外预应力束布置在腹板下缘,在离支座约 1/4L处,束向上弯起,锚固在梁的两端。采用体外预应力技术加固某简支梁结构的示意图如图 1所示。

图1 体外预应力技术加固示意图

2.2 体外预应力加固技术优点

相对于传统的体力预应力加固技术,体外预应力加固技术有如下优点。

(1)施工快速、简单,无需改变加固梁截面大小,不会增加结构自重;

(2)在施工过程中,无需封锁交通,原结构仍可使用,减少交通压力;

(3)由于预应力束基本不占用结构空间,不会因为预留孔的存在而降低结构的承载能力;

(4)由于预应力筋在混凝土截面之外,能方便检查人员对预应力束进行维护和应力检测;

(5)体外预应力束在工厂定制,质量有保证。

3 体外预应力加固组件

从加固所用主要材料看,有高强螺纹钢筋,预应力高强钢丝束钢丝绳及型钢等,从构造形式主要有下几个部分组成:(1)水平筋,亦称水平拉杆,多由高强钢丝或钢丝绳、螺纹粗钢筋组成。其作用是在梁底部位施加纵向预应力,从而对梁体产生反向弯矩,以抵消部分自重及活载产生的正弯矩、提高梁的承载能力和防止梁截面底部开裂;(2)斜筋,亦称斜杆,由槽钢或高强粗钢筋做成,作用是提高梁端部的剪力,从而提高梁的承载能力;(3)转向块,当斜筋和水平筋不为一根钢筋时,需用转向块将其联结为一体。转向块的基本作用是斜筋和水平筋之间力的传递、固定折点位置并使斜筋的坚向分力位于梁底,与锚固点处的坚向力一起作用,使梁端部位形成负弯矩和负剪力;(4)锚固点,有梁端锚固、梁顶锚固和腹板锚固;(5)U型承托,当采用型钢作为斜杆或以一根钢丝绳取代斜筋和水平筋时,利用距离梁端的第一个横隔板作为坚向支承,并兼作斜筋和水平筋的转折点;(6)水平筋固定支座,用以减小水平筋的自由长度,从而起到减振作用,该装置对于跨径较大的体外索加固技术尤为重要。

4 常用施工方法

4.1 纵向张拉法

纵向张拉法是沿预应力筋的轴线施加预应力的方法。预应力筋沿梁底布置,到梁的两端设导向块处弯起,锚固于梁的腹板或顶板上,再沿梁底或梁顶进行纵向张拉,以减小梁端的剪力。纵向张拉锚固构造主要有两种,梁顶锚固和腹板锚固。体外预应力筋张拉方法与其构造形式有关,张拉位置可以在梁顶沿斜筋方向张拉,亦可在梁底沿水平方向张拉。其张拉程序与预制混凝土梁的相同。

4.2 竖向张拉法

当采用纵向张拉法施工不便时,应考虑采用竖向张拉法进行。此法采用在梁肋两侧对称布置预应力筋,在预应力筋中部竖直向上张拉,在梁肋底部用小横梁固定预应力。

4.3 横向收紧张拉法

梁的两端间隙很小时,一般采用横向收紧张拉法。此法是在梁的下缘安装预应力筋,在距梁端适当距离处弯起并通过支点锚于梁端的锚固钢板上,锚固钢板呈 U形套在梁端的下翼缘上。水平段的预应力筋用撑棍分成若干段。在每段中点用拉紧螺栓将两对称筋收紧,拉杆即产生预应力。

4.4 预弯梁法

以上三种方法,主要是用于解决梁下缘开裂的问题,当为了防止梁上缘的开裂,需采用预弯梁法。

5 工程实例

某公路桥梁全长 120m,桥面宽度 8m,修建于 20世纪 80年代初,由于养护不当与超载使用。现阶段下缘混凝土破损,部分混凝土脱落,已出现纵向主钢筋已严重锈蚀。随着交通量的增长,桥面已出现下沉,偏差原来桥而设计标高。为了保证不长期中断交通,研究决定采用体外预应力技术加固桥梁。

采用体外预应力加固技术,可以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、抗裂性和刚度。预应力张拉完成后,喷射混凝土增加梁截面厚度来提高梁支座附近斜截面的抗剪强度,并可包裹预应力钢丝束,防止钢丝束锈蚀。

预应力材料:预应力钢丝采用高强度低松弛钢束,由16Φ5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 200mm ×740mm;

喷射混凝土:C30混凝土。

6 加固效果

该大桥采用先以体外预应力加固T梁,后用锚喷混凝上使预应力钢束与梁体粘合的加固方法,不仅使梁的抗弯、抗剪强度及刚度增大,且能有效地防止预应力钢束过早锈蚀,减少了今后养护费用。该方法通过施加预应力,主梁将会产生上拱,这将会抵消旧桥过大的向下弯曲变形,并可使梁底面裂缝减小或闭合。喷射混凝包裹着预应力钢筋,既发挥了预应力的作用,又发挥喷锚混凝土优越性,也解决了体外预应力钢材养护难题,经济效益十分显著。

7 结 语

随着社会发展,在今后的若干年里,会有越来越来多的旧建筑物有可能出现工程质量事故问题,需要维修和加固。建筑物维修、改造和加固的费用将逐步增加。体外预应力加固技术施工简单,加固效果良好,定能得到极大的应用与发展。

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