浅析旧桥体外预应力加固技术优化设计

  体外预应力加固技术是近年来广泛采用的一种旧桥加固方法,且得到了认可。但是在实际使用中该方法也存在开裂和持续下挠问题,给其使用带了了一定的不利影响,因此本文就重点对该技术的优化进行了研究,并得到了一定的成果。
  关键词旧桥;预应力加固;设计
  引言
  旧桥在我国随处可见,其老化、承载力不足以及破损等问题一直困扰着很多单位,很多旧桥因为上述问题的存在轻者出现道路都塞,重则出现垮塌等事故,给人民群众的安全带来极大的隐患。而且随着现在车辆超载等现象越来越频繁,对这些桥梁是一个挑战,大大制约了交通能力的提高和发展,这些情况亟待改变。然而,我国幅员辽阔,桥梁众多,全部重建显然是不可能的,而且限于我国目前的经济状况,选择合理的途径才是最重的。在此情况下,桥梁的加固技术得到了非常多的应用,而其中体外预应力技术因为节省资金,优点较多,且效果明显,在世界范围内都有大量的应用,是桥梁加固的主技术手段之一。但也由于该技术历史悠久,很多地方都需提高和改进,对其优化也是目前的一个客观求,下面本文就针对该问题进行探讨。
  1体外预应力概述
  体外预应力结构的设计与传统的体内预应力混凝土结构构件具有基本相同的共性,但由于体外预应力的作用,使其又具有特殊性。体外预应力结构的作用机理与无粘结预应力结构是相同的,所以它具有无粘结预应力结构类似的性能。有粘结预应力混凝土梁承受荷载时,任意截面预应力钢筋位置处的混凝土应变增量与预应力钢筋应变增量相等。所以有粘结预应力钢筋的最大应力出现在最大弯矩截面处。无粘结预应力混凝土梁承受荷载时,由于无粘结预应力钢筋和混凝土能发生纵向的相对滑动,其应变增量等于沿无粘结预应力钢筋全长周围混凝土应变增量的平均值。这样,当梁受压区混凝土达到极限应变时,无粘结预应力钢筋的应变增量将比有粘结预应力钢筋的小。梁体破坏时由于无粘结预应力钢筋的极限应力小于最大弯矩截面处有粘结预应力钢筋的极限应力,所以无粘结预应力梁的极限抗弯强度低于有粘结预应力梁。
  对于整体施工的体外预应力混凝土结构,其与体内无粘结预应力混凝土具有基本相同的力学性能,从施加预应力、受荷至消压、开裂直至最后的破坏机理也是相似的,两者差别主在构造上。适当配置有粘结筋及非预应力筋,对改善整体结构的极限承载能力有较大作用,也可显著改善裂缝状况,增加混凝土塑性变形范围。节段施工的体外预应力混凝土结构力学性能较为特殊。由于接缝的存在,若接缝间无有粘结预应力筋通过,则在承载能力阶段裂缝便难以控制,同时,也削弱了使用阶段结构的抗弯刚度,使其挠度更大。由于非预应力筋在接缝处完全断开,在无体内预应力筋时,体外索成为限制接缝间相对刚体转动的控制因素。因此,最好采用体内、体外混合配筋进行节段施工结构的设计。
  对于旧桥,体外预应力加固法与其他加固方法相比,具有一些独特的加固特点或加固效应。
  ①卸载效应
  采用预应力法对结构构件加固后.由于施加的预应力与原结构的外部荷载是反向的,预应力产生的内力对原结构形成反向的平衡荷载,原结构的内力或变形减小,再增加结构的荷载,由两者共同分担,这样就相应地提高了结构的承载力,对于即将破坏的结构,则使结构由临界状态回到安全状态,或延迟结构的破坏,同时结构构件的变形减小,裂缝在一定程度上闭合。
  ②弹塑性效应
  增加的预应力杆件系相当于在原结构构件外部增加了一个弹性支座,或使混凝土材料具有更良好的弹塑性,部分卸载后结构的强度一变形曲线退回到弹性阶段;此外,由于加固用钢材具有良好的延性和强化性能,外部杆件能随结构荷载的增加同步地分担荷载,因此,加固后结构的变形性能得到改善,具有明显的弹性特征。
  ③协调效应
  材料间应力应变滞后是影响加固效果的最主因素之一而预应力加固法能使加固材料与原结构有效地结合,提前分担结构荷载,同时使原结构的内力变形减小,在一定程度上减小了新旧材料或结构间的应力应变水平的差距,消除了滞后效应,充分发挥了加固材料强度优势。
  2体外预应力加固技术问题的提出
  (1)与加固前结构相比,桥梁垣载由于体外束加固改造增加的量比不是太少,相反,其增加的垣载量甚至超过了其它的加固方法。体外预应力加固技术对桥梁垣载的增加主来自于以下几个方面
  ①浇注转向装置增加的混凝土垣载量。
  转向块是体外力筋在跨径内保持设计形状,并可靠的传递索力垂直分力的重部件,为力筋提供坚固的转向支承,以较小的摩擦力使之顺利转向和传递预应力。具体分类可参见第三章的内容。虽然鞍座块式转向块混凝土的体积小,对结构自重影响并不大,模板构造也较简单。但其受力特点为预应力筋的竖直(水平)分力有使转向块从梁体拉脱的倾向。由于实际需提供比较大的体外预应力,故一般采用后两种形式的转向块。对于后两种,在实际连续刚构桥梁的加固中,为了使转向装置据有足够的强度和刚度,就需尺寸比较大的转向块,对加固后桥梁的垣载的增加还是非常大的,是不应该忽视的问题。
  ②齿板浇注所产生的垣载重量
  为了利于结构受力,方便体外束的张拉以及锚固,一般都在桥梁中设置齿板。为了保证齿板能够承受张拉及锚固预应力束的力,就需比较大的齿板,增加加固后的垣载。
  ③体外预应力束新增垣载。
  为了有效改善桥梁开裂下挠的现象,一般需的体外预应力的量是比较大的,故需比较多的体外预应力束,对于三跨60 90 90的连续刚构的加固,一般仅仅由于体外束的应用增加的垣载达近三万公斤,再加上体外束相应的锚固器具、套管等重量,数量更多,故对于体外预应力的加固,这些重量也是应该考虑在内的。
  ③桥面铺装拆除后重建,新增垣载。
  以A大桥为例,通过统计发现,加固后A河大桥由于加固所带来的垣载增加量将达到500多吨,体外束诚然能增加桥梁的承载力,那么由于体外加固技术的应用而对桥梁本身自重增加如此之多,加固后承载力的增加量与由于加固所带来的效应相比,二者关系如何。
  (2)体外束的张拉锚固所产生的力主靠桥梁新浇筑的齿板来产生,因此,齿板受力非常复杂。以三跨的连续刚构为例,常常采用在端部锚固预应力束,在墩部处张拉的做法。而位于锚固处的齿板,也就是端部的齿板就显得尤为重,体外束能否到达锚固的求,新旧混凝土能否共同工作,不至于把齿板拉裂、拉开。就对此处齿板的构造及施工求严格。
  而且一般的连续刚构桥梁,在桥台侧位满堂支架施工,齿板一般己经靠近满堂支架施工与悬臂施工所处的合拢段,故会不会由于张拉体外束的原因,而导致合拢段截面梁体的开裂也是值得担心的问题。
  3加固构造物与原桥比重对桥梁承载力的影响分析
  针对之前提出的加固新增的混凝土重量过大的问题,做如下分析
  A大桥采用体外预应力与粘贴钢板进行加固,其中,采用体外预应力进行加固时,全桥共设置转向板20块,锚固齿板4块,共计新增混凝土235立方米,即新增垣载587吨。通过MidaS程序对全桥进行建模分析,模拟新增混凝土对桥梁的影响。可以得到如下的结论,具体见下表
  表1新增混凝土对桥梁承载力的影响
  
  其中,负弯矩指的是墩顶截面的弯矩,正弯矩指的是正弯矩最不利截面处的弯矩,加固前指的是没有添加转向块、齿板时的弯矩,加固后指的是添加之后的弯矩,垣载组合指按正常使用极限状态下自重和二期垣载下的各个弯矩值,总效益指添加活载效益之
  后按正常使用极限状态的各个弯矩值。比重指的是新增混凝土与原结构作用下效益的比值。

  从表中可以看到,在新增混凝土作用下,不计车辆荷载时,其效益所占原结构的比重在负弯矩区为8%,在正弯矩区为6%到8%;计入活载效益之后,在负弯矩区为7%,在正弯矩区为4%到5%。与全桥相比,所占比重比较小,和加固后提升的效益相比,可以不计入这部分对结构承载力的影响。如果减小这部分混凝土用量,齿板的抗剪力、局部承压等不能满足规范求。故建议不减少新增混凝土的用量。
  4体外预应力加固技术锚固端部构造优化设计
  从上面的分析可以看出,为了能够有效的发挥体外预应力对承载力的增加作用,并提高体外束加固结构的安全性,有必对体外束加固的关键部分进行优化设计,从而使结构受力更合理,施工更安全。本文主以A河大桥为例,从锚固端构造着手,对连续刚构的体外预应力加固技术进行优化设计。
  端部现浇锚块原来的设计在主梁端部设置了较大尺寸的横隔板,新设计的体外预应力钢束不能在主梁端部进行张拉,且数量较多,因此为了保证结构的安全考虑,便采用混凝土现浇锚块。即在确保原结构预应力钢束不被破坏的条件下采用植筋技术,以及在新旧混凝土接触面凿出剪力槽,使现浇端部斜锚块可以通过顶、底板及腹板抗剪承受体外预应力钢束的张拉力。
  在A大桥体外预应力的加固设计中,考虑到锚固端齿板受力的复杂性,由上面分析可以看到该处齿板对混凝土的局部承压能力及抗劈裂、抗剪能力有很高的求。另外,其边跨4组体外索固定端设置得过于拥挤,使得其局部受压区截面尺寸不满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTGD62一2004)第5.7.1条的求,局部抗压承载力不满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62一2004)第5.7.2条的求。
  为了改善锚固端齿板处混凝土的受力性能,特采取了以下的做法来提升该处的承载能力
  (l)齿板纵向每30cm设置一道 1sxscm横向槽口,凿除面清刷干净。如图1。
  
  图1剪力槽大样图
  (2)对原齿板进行了加强构造,即对箱梁顶板进行了植筋,使与齿板连为一体,加强了与顶板的连接。
  (3)开创性的增加了定位板的设计构造,定位板作为锚固端齿板构造的一部分,增加了与原桥梁结构的整体性,有效的改善了齿板的受力状况。提高了桥梁加固的整体性能。
  结束语
  体外预应力加固技术作为一种行之有效的加固手段,由于其的灵活性、高效性等诸多特点,越来越受到重视,随着对桥梁加固的不断重视,体外预应力技术定会发展的越来越成熟,会有越来越多的桥梁采用这种加固方法。
  参考文献
  [1]刘来君.桥梁加固设计与施工求[M].人民交通出版社.2004,第1版
  [2]杨洪波.体外预应力法在连续梁桥加固中的应用研究[D].大连理工大学硕士学论文.2006. 6
  [3]许长城.体外预应力技术在连续刚构桥中的应用研究[D].重庆交通大学硕士学2008. 3
  [4]张松雷.体外预应力技术在连续刚构桥加固中的优化设计及其施工监控[D].西安,长安大学.2010
  
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