一、概述
隨著國家經濟建設的快速發展, 我國的橋梁工程建設日新月異。通過六十多年的發展振興, 越來越多的橋梁被修建, 而且橋梁的跨徑、規模、技術難度與造價也在不斷攀升。與此同時, 越來越多橋梁進入維修的時期, 橋梁使用管理工作越來越繁重, 也日異顯得重要。
我國現有公路橋梁有很多是根據20 世紀70 年代或80 年代初期頒布的設計標準建造的, 其設計荷載均較低。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象嚴重; 超限運輸的出現和增加。隨著各種重型車輛, 尤其是工程用重型運輸車的不斷出現, 公路橋梁負荷日趨加重, 加之舊橋部分老化、破損, 已經不能適應現代交通運輸的要求,對舊橋、危橋的加固維修, 以及如何提高其承載力的問題, 確保交通運輸的安全是目前和今后面臨的主要任務, 開展有關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對構件的補強和結構性能的改善來恢復或提高現有橋梁的承載能力, 以延長其使用年限, 適應現代交通運輸的要求。其改造的主要技術途徑有:加強薄弱構件、增加輔助構件、改變結構體系、減輕恒載、加固墩臺及基礎等。
目前橋梁上部結構的加固方法主要包括以下幾個方面:
1. 橋面補強層加固法。將原橋面鋪裝全部鑿除或鑿毛, 然后加鋪一定厚度的補強層, 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構整體承載能力。
2. 增大截面與配筋加固法。通過增大構件截面面積或配筋率以提高鋼筋混凝土梁的強度、剛度、穩定性。
3. 體外預應力加固法。體外張拉預應力束加固法,是加固效果最明顯而施工工藝最為復雜的加固方法。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, 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橋上交通的影響, 甚至可以在有限開放交通的情況下, 組織施工。
4. 粘貼鋼板加固法。用粘結劑和錨栓將鋼板粘貼錨固于混凝土結構受拉面或其他薄弱部位, 使鋼板與加固混凝土結構形成整體, 以達到提高結構承載能力的目的。
5. 改變結構受力體系加固法。通過改變橋梁結構受力體系以達到提高結構整體承載能力的目的, 是一種變被動為主動的加固方法。
6. 錨噴混凝土加固法。從隧道施工中轉化而來的加固方法, 主要用于因支點截面尺寸偏小而導致的抗剪強度不足的混凝土梁的加固維修。
7. 增加橫向聯系加固法。通過增設橋梁橫向聯系,以改善上部結構的荷載橫向分布規律, 從而達到提高結構整體承載能力的加固方法。一般用于無內橫梁或少內橫梁的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現澆混凝土橫梁或鋼橫梁來提高橫向抗彎剛度。
8. 粘貼碳纖維布加固法。碳纖維增強復合材料是一種性能優良的混凝土結構加固材料, 它具有強度高、密度小、耐腐蝕、抗疲勞等優點。其加固法是利用樹脂類材料把碳纖維布材或板材粘貼于混凝土結構或構件表面,形成復合材料體, 通過碳纖維布與結構的協同工作, 達到對結構補強加固及改善受力性能的目的。
三、體外預應力加固方法
體外預應力結構與體內預應力結構本質的區別在于體外預應力結構的預應力筋布置在主體結構之外。因體外預應力索通常為由多根鋼絞線組合成的集中鋼索,故稱為體外預應力索。體外預應力加固通常是在梁底或梁側下部增設預應力加勁鋼絲索或預應力粗鋼筋補強并分別錨固在梁的兩端, 通過設置一定的聯結構件使預應力拉桿( 鋼絲索或粗鋼筋) 與梁體構成一個桁架體系, 成為一次超靜定結構, 施加體外預應力, 抵消部分恒載應力, 起到卸載的作用, 從而較大提高橋梁結構的承載能力。
體外預應力混凝土結構的基本組成主要包括: 體外預應力索、管道和灌漿材料, 體外預應力索的錨固系統,體外預應力索的轉向裝置, 如圖1 所示。
四、設計計算的步驟和方法
1. 體外預應力加固體系的力學分析。
用力法求解體外預應力加固體系內力時, 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構, 計算得到水平鋼筋承擔的力之后, 可進行體外索的配置, 由水平鋼筋的張力估算出預應力筋的用量, 最后校核計算結果。
2. 求解加固體系的預應力損失。
預應力損失的計算主要包括: 摩阻力引起的預應力損失; 錨具變形引起的預應力損失; 溫差引起的預應力;分批張拉由于混凝土彈性收縮引起的預應力損失; 鋼筋松弛引起的預應力損失; 混凝土收縮與徐變引起的預應力損失。
3. 加固體系正常使用階段驗算。
( 1) 鋼筋應力驗算: 根據應力控制條件來判斷是否滿足要求。
( 2) 裂縫驗算: 采用直接控制裂縫寬度的方式計算, 求最大裂縫寬度。
( 3) 撓度驗算: 根據《公路橋涵設計通用規范( JTGD60- 2004) 》, 控制的活載撓度為: fk= fa+ fXp ≤L/ 600。
五、工程實例
某橋梁主梁跨徑為19.2m, 原設計荷載為汽- 15, 目前梁體部分混凝土開始脫落, 出現了縱向貫通裂縫, 鋼筋也開始有銹蝕, 為了適應目前交通量以及不影響正常的交通, 擬采用體外預應力來加固, 加固后的荷載等級標準為汽- 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, 提高荷載等級后汽車活載在跨中截面產生的彎矩為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, 抗拉強度
標準值為Aptk=1860MPa, 張拉控制應力取σcon=0.55fptk=1023MPa。
1. 計算主梁截面幾何性質: 跨中截面對下邊緣的抵抗矩:Wσx=6.86×107mm3
2. 計算活載引起的水平預應力筋增量Xp=1.02×10- 310.54×10- 11×Ay( N)
3. 加固體系的預應力損失。
體外預應力加固體系在加固時鋼筋的總預應力損失為: σs=σs1+σs2+σs3+σs5=59.87MPa
4. 體外索配筋計算。
求解結果為Ay=1165mm2; 所需預應力鋼鉸線的根數為8.4, 取9 根。采用3 束3φj15.2 預應力鋼筋束,Ay=1251mm2。
5. 計算預應力水平鋼筋拉力增量。
采用力法計算可得: Xp=12.1kN, 當采用簡化公式來計算拉力增量時, 計算結果為Xp=11.9kN 兩者相差很小, 故用簡化公式來計算也可以滿足要求。
6. 加固體系正常使用階段驗算。
( 1) 鋼筋應力驗算σy=972.8MPa < f= 1209MPa 故滿足控制應力要求。
( 2) 裂縫驗算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, 對該梁橋進行的體外預應力加固經過各種驗算均能滿足要求, 經加固后該橋可以達到設計的荷載標準。
六、結論
各種橋梁加固實例表明, 體外預應力加固體系具有以下優點:
1. 受力明確、施工簡單、不影響正常交通。
2. 維護修補方便, 可以隨時更換預應力筋。
3. 能夠大幅度提高舊橋的承載能力。
4. 對原橋的結構損傷很小, 可以做到不影響橋下凈空, 且不增加路面標高。
