一、概述
隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展, 我國(guó)的橋梁工程建設(shè)日新月異。通過(guò)六十多年的發(fā)展振興, 越來(lái)越多的橋梁被修建, 而且橋梁的跨徑、規(guī)模、技術(shù)難度與造價(jià)也在不斷攀升。與此同時(shí), 越來(lái)越多橋梁進(jìn)入維修的時(shí)期, 橋梁使用管理工作越來(lái)越繁重, 也日異顯得重要。
我國(guó)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造的, 其設(shè)計(jì)荷載均較低。目前我國(guó)公路橋梁所承受的荷載有3 個(gè)特點(diǎn):交通量不斷增大; 重型車(chē)輛增加及超載現(xiàn)象嚴(yán)重; 超限運(yùn)輸?shù)某霈F(xiàn)和增加。隨著各種重型車(chē)輛, 尤其是工程用重型運(yùn)輸車(chē)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(yùn)輸?shù)囊?對(duì)舊橋、危橋的加固維修, 以及如何提高其承載力的問(wèn)題, 確保交通運(yùn)輸?shù)陌踩悄壳昂徒窈竺媾R的主要任務(wù), 開(kāi)展有關(guān)的維修與加固方法研究是非常有必要的。
二、橋梁加固方法
橋梁加固一般是通過(guò)對(duì)構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)和結(jié)構(gòu)性能的改善來(lái)恢復(fù)或提高現(xiàn)有橋梁的承載能力, 以延長(zhǎng)其使用年限, 適應(yīng)現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)囊?。其改造的主要技術(shù)途徑有:加強(qiáng)薄弱構(gòu)件、增加輔助構(gòu)件、改變結(jié)構(gòu)體系、減輕恒載、加固墩臺(tái)及基礎(chǔ)等。
目前橋梁上部結(jié)構(gòu)的加固方法主要包括以下幾個(gè)方面:
1. 橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法。將原橋面鋪裝全部鑿除或鑿毛, 然后加鋪一定厚度的補(bǔ)強(qiáng)層, 以增大主梁有效高度及改善橋梁荷載橫向分布能力, 從而提高單梁承載能力或橋梁結(jié)構(gòu)整體承載能力。
2. 增大截面與配筋加固法。通過(guò)增大構(gòu)件截面面積或配筋率以提高鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。
3. 體外預(yù)應(yīng)力加固法。體外張拉預(yù)應(yīng)力束加固法,是加固效果最明顯而施工工藝最為復(fù)雜的加固方法。在不增加橋梁自重的前提下, 有效增加加固后主梁的抗彎剛度并大幅度提高主梁的承載能力。同時(shí), 在合理安排施工流程的情況下, 該方法可最大限度地減少對(duì)橋上交通的影響, 甚至可以在有限開(kāi)放交通的情況下, 組織施工。
4. 粘貼鋼板加固法。用粘結(jié)劑和錨栓將鋼板粘貼錨固于混凝土結(jié)構(gòu)受拉面或其他薄弱部位, 使鋼板與加固混凝土結(jié)構(gòu)形成整體, 以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載能力的目的。
5. 改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法。通過(guò)改變橋梁結(jié)構(gòu)受力體系以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)整體承載能力的目的, 是一種變被動(dòng)為主動(dòng)的加固方法。
6. 錨噴混凝土加固法。從隧道施工中轉(zhuǎn)化而來(lái)的加固方法, 主要用于因支點(diǎn)截面尺寸偏小而導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度不足的混凝土梁的加固維修。
7. 增加橫向聯(lián)系加固法。通過(guò)增設(shè)橋梁橫向聯(lián)系,以改善上部結(jié)構(gòu)的荷載橫向分布規(guī)律, 從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)整體承載能力的加固方法。一般用于無(wú)內(nèi)橫梁或少內(nèi)橫梁的T 形截面及工字形截面梁式橋, 工程上常在相鄰主梁間增設(shè)現(xiàn)澆混凝土橫梁或鋼橫梁來(lái)提高橫向抗彎剛度。
8. 粘貼碳纖維布加固法。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種性能優(yōu)良的混凝土結(jié)構(gòu)加固材料, 它具有強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)。其加固法是利用樹(shù)脂類(lèi)材料把碳纖維布材或板材粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面,形成復(fù)合材料體, 通過(guò)碳纖維布與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作, 達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。
三、體外預(yù)應(yīng)力加固方法
體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)本質(zhì)的區(qū)別在于體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋布置在主體結(jié)構(gòu)之外。因體外預(yù)應(yīng)力索通常為由多根鋼絞線組合成的集中鋼索,故稱為體外預(yù)應(yīng)力索。體外預(yù)應(yīng)力加固通常是在梁底或梁側(cè)下部增設(shè)預(yù)應(yīng)力加勁鋼絲索或預(yù)應(yīng)力粗鋼筋補(bǔ)強(qiáng)并分別錨固在梁的兩端, 通過(guò)設(shè)置一定的聯(lián)結(jié)構(gòu)件使預(yù)應(yīng)力拉桿( 鋼絲索或粗鋼筋) 與梁體構(gòu)成一個(gè)桁架體系, 成為一次超靜定結(jié)構(gòu), 施加體外預(yù)應(yīng)力, 抵消部分恒載應(yīng)力, 起到卸載的作用, 從而較大提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。
體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本組成主要包括: 體外預(yù)應(yīng)力索、管道和灌漿材料, 體外預(yù)應(yīng)力索的錨固系統(tǒng),體外預(yù)應(yīng)力索的轉(zhuǎn)向裝置, 如圖1 所示。
四、設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟和方法
1. 體外預(yù)應(yīng)力加固體系的力學(xué)分析。
用力法求解體外預(yù)應(yīng)力加固體系內(nèi)力時(shí), 以活載引起的水平鋼筋拉力增量為變量, 切斷水平筋而得到基本結(jié)構(gòu), 計(jì)算得到水平鋼筋承擔(dān)的力之后, 可進(jìn)行體外索的配置, 由水平鋼筋的張力估算出預(yù)應(yīng)力筋的用量, 最后校核計(jì)算結(jié)果。
2. 求解加固體系的預(yù)應(yīng)力損失。
預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算主要包括: 摩阻力引起的預(yù)應(yīng)力損失; 錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失; 溫差引起的預(yù)應(yīng)力;分批張拉由于混凝土彈性收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失; 鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失; 混凝土收縮與徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失。
3. 加固體系正常使用階段驗(yàn)算。
( 1) 鋼筋應(yīng)力驗(yàn)算: 根據(jù)應(yīng)力控制條件來(lái)判斷是否滿足要求。
( 2) 裂縫驗(yàn)算: 采用直接控制裂縫寬度的方式計(jì)算, 求最大裂縫寬度。
( 3) 撓度驗(yàn)算: 根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范( JTGD60- 2004) 》, 控制的活載撓度為: fk= fa+ fXp ≤L/ 600。
五、工程實(shí)例
某橋梁主梁跨徑為19.2m, 原設(shè)計(jì)荷載為汽- 15, 目前梁體部分混凝土開(kāi)始脫落, 出現(xiàn)了縱向貫通裂縫, 鋼筋也開(kāi)始有銹蝕, 為了適應(yīng)目前交通量以及不影響正常的交通, 擬采用體外預(yù)應(yīng)力來(lái)加固, 加固后的荷載等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為汽- 20。梁體為C25 砼, fc=2.85×104N/mm2。主梁截面尺寸如圖2 所示。
跨中截面主筋面積為Ag=68.37cm2, 梁自重及恒載在跨中截面引起的彎矩為Mg=1256.69kN·m, 提高荷載等級(jí)后汽車(chē)活載在跨中截面產(chǎn)生的彎矩為Mg =1200kN·m。加固體系擬采用鋼鉸線, 水平鋼筋為同鋼絞線束, 單根鋼鉸線的截面面積為Ap1=139mm2, 抗拉強(qiáng)度
標(biāo)準(zhǔn)值為Aptk=1860MPa, 張拉控制應(yīng)力取σcon=0.55fptk=1023MPa。
1. 計(jì)算主梁截面幾何性質(zhì): 跨中截面對(duì)下邊緣的抵抗矩:Wσx=6.86×107mm3
2. 計(jì)算活載引起的水平預(yù)應(yīng)力筋增量Xp=1.02×10- 310.54×10- 11×Ay( N)
3. 加固體系的預(yù)應(yīng)力損失。
體外預(yù)應(yīng)力加固體系在加固時(shí)鋼筋的總預(yù)應(yīng)力損失為: σs=σs1+σs2+σs3+σs5=59.87MPa
4. 體外索配筋計(jì)算。
求解結(jié)果為Ay=1165mm2; 所需預(yù)應(yīng)力鋼鉸線的根數(shù)為8.4, 取9 根。采用3 束3φj15.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋束,Ay=1251mm2。
5. 計(jì)算預(yù)應(yīng)力水平鋼筋拉力增量。
采用力法計(jì)算可得: Xp=12.1kN, 當(dāng)采用簡(jiǎn)化公式來(lái)計(jì)算拉力增量時(shí), 計(jì)算結(jié)果為Xp=11.9kN 兩者相差很小, 故用簡(jiǎn)化公式來(lái)計(jì)算也可以滿足要求。
6. 加固體系正常使用階段驗(yàn)算。
( 1) 鋼筋應(yīng)力驗(yàn)算σy=972.8MPa < f= 1209MPa 故滿足控制應(yīng)力要求。
( 2) 裂縫驗(yàn)算δfmax=0.01mm<f=0.1mm 裂縫最大值滿足要求。
( 3) 加固體系的撓度驗(yàn)算fk = 26.03≤L / 600 =32.5mm 故加固體系的撓度滿足要求。
綜上所述, 對(duì)該梁橋進(jìn)行的體外預(yù)應(yīng)力加固經(jīng)過(guò)各種驗(yàn)算均能滿足要求, 經(jīng)加固后該橋可以達(dá)到設(shè)計(jì)的荷載標(biāo)準(zhǔn)。
六、結(jié)論
各種橋梁加固實(shí)例表明, 體外預(yù)應(yīng)力加固體系具有以下優(yōu)點(diǎn):
1. 受力明確、施工簡(jiǎn)單、不影響正常交通。
2. 維護(hù)修補(bǔ)方便, 可以隨時(shí)更換預(yù)應(yīng)力筋。
3. 能夠大幅度提高舊橋的承載能力。
4. 對(duì)原橋的結(jié)構(gòu)損傷很小, 可以做到不影響橋下凈空, 且不增加路面標(biāo)高。
