桥梁体外预应力加固方法及计算
2015-08-04
我国现有公路桥梁有很多是根据20 世纪70 年代或80 年代初期颁布的设计标准建造的, 其设计荷载均较低。目前我国公路桥梁所承受的荷载有3 个特点:交通量不断增大; 重型车辆增加及超载现象严重; 超限运输的出现和增加。随着各种重型车辆, 尤其是工程用重型运输车的不断出现, 公路桥梁负荷日趋加重, 加之旧桥部分老化、破损, 已经不能适应现代交通运输的要求,对旧桥、危桥的加固维修, 以及如何提高其承载力的问题, 确保交通运输的安全是目前和今后面临的主要任务, 开展有关的维修与加固方法研究是非常有必要的。
一、体外预应力加固常用方法
根据施加预应力的方式不同，桥梁体外预应力加固的常用方法有：横向收紧张拉法、纵向张拉法、竖向张拉法和顶弯梁法等。
1、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。此法是在梁的下缘对称梁中线安装预应力筋，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，两端的撑棍还起到支点的作用。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。
2、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。
3、竖向张拉法
当采用纵向张拉法不便施工时，可采用竖向张拉法。此法采用在梁肋两侧对称布置预应力筋，一般在梁端肋侧锚固，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。
横梁的作用在于固定竖向张拉产生的钢筋预应力，根据具体情况，横梁可以设计成锚固于梁肋上不能滑动预应力筋的固定支点或可以在梁底活动的活动支点。
二、人、钢筋混凝土简支梁体外预应力加固的计算方法
1、体外预应力结构的力学特征
体外预应力砼结构一般采用折线形式布置预应力束。体外预应力筋仅在锚固区域和折角处(转向块处)与结构相连结,体外预应力结构的受力特性与无粘结预应力结构类似。在使用荷载状态下,采用弹性分析方法设计;在极限状态下,一般按无粘结预应力混凝土结构分析设计。
2、体外索的配筋设计
体外预应力筋的应力损失计算方法与无粘结预应力计算基本一致，其中温差损失可忽略不计；混凝土收缩、徐变可取为零。
体外预应力筋面积的确定可由梁危险截面(通常是跨中截面)的抗弯强度确定。具体方法是：1检算旧梁承载能力；2确定加固后要达到的承载能力，找出二者的差值；
3假设此差值完全由体外索承担(偏于安全),初步确定力筋的有效预应力和力筋偏距，然后预估体外力筋的面积；4根据抗剪强度和构造的要求确定体外力筋转向块和锚固点的位置；5对该组合结构按照《桥规》规定进行各项检算。然后根据验算结果对初步方案进行调整，直到满意为止。
体外索内力增量与活载的关系：加固时梁的受力特点是，预加力的实测值是在桥梁上部结构恒载(含梁自重)作用下测取的，整个体系在恒载和预应力的共同作用下处于平衡，该体系为一次内超静定结构。对加固后混凝土梁截面应力的检算，需计算体外索在活载作用下的内力增量。体系对外是静定的，支座反力直接与恒、活载平衡，不影响体外索内力增量的计算。
活载作用下，斜筋内力与水平筋的内力之比为A，即：N斜=A×N= N /(cosα±f0)式中，f0为力筋与转向块之间的摩擦系数，正负号与力筋的张拉方向有关，向外张拉时为负，反之为正。取跨中水平筋内力为赘余力，单位力N=1时。力法方程为：
体外索的内力增量为：ΔN=－Δ1p/δ11；体外索的应力增量为：Δσy=－ΔN/Ay；使用荷载下体外索的应力应满足：σy=σye+Δσy≤0.6Rjy。式中Ey、Ay、σye——体外预应力筋的弹性模量、面积及有效预应力；E、A0、I——混凝土弹性模量、换算截面面积及惯性矩。
3、加固后梁的验算
（1）、正截面强度检算
加固后的梁在使用荷载下的正截面应力检算，按照《桥规》规定的容许应力法进行。平衡方程为:
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
据平截面假定，有σh=σgx／(hh0-x)联立三式可得关于x的一元三次方程，从而可得到σg、σh,若满足σg≤[σg]σh≤[σw]则满足正截面强度要求，否则,应调整配筋重新检算。
（2）斜截面抗剪强度检算
斜截面抗剪强度检算仍宜按普通混凝土梁计算。加固后体系承受的外剪力由梁和体外索斜筋共同承担。可从总的剪力中扣除体外索斜筋承担的剪力,得梁承担的剪力。检算中,可取支座截面、1/4跨截面、腹板变厚度及箍筋变间距等处为验算截面。
（3）加固体系的裂缝验算
用体外束加固的混凝土梁，由于体外束布置在梁体之外，与混凝土无粘结作用。因此,其抗裂性更接近与普通钢筋混凝土梁。裂缝宽度计算公式：
δｆ=Ｃ1Ｃ2Ｃ3σｇ／Ｅｇ (30+ｄ)／(0.28+10ｕ)
式中各参数按公路桥规取用。其允许裂缝宽度采用桥规中普通钢筋混凝土梁的允许裂缝宽度。
工程实践表明，用体外束加固旧桥是非常有效的措施,具有加固、卸载及减小结构内力的作用,值得更广泛地推广应用。
