桥梁加固维修体外预应力施工探讨
2015-09-14
1 引言
近年来，随着经济的发展和科学技术的进步，我国交通运输事业得到了蓬勃的发展，交通量和交通荷载越来越大，使得上世纪七八十年代所兴建的大多数桥梁都不能满足当前交通运输的需要。同时，由于使用环境、结构缺陷、施工质量等多方面的原因，很多桥梁在建成投入使用后都或多或少的出现损坏，造成耐久度下降、承载能力不足等原因，严重影响行车安全和交通运输的正常运行。但是，由于资金、材料、交通等各方面的原因，要将这些桥梁桥梁拆除重建并不现实，因此多采用加固维修的方法来增加桥梁承载能力，改善桥梁结构耐久性能。目前所采用的桥梁加固维修技术有桥面加厚加固法、钢反粘贴加固法、纤维粘贴加固法、体外预应力加固法、结构体系优化加固法等，其中以体外预应力加固纵法最为简单易行，且能有效提高桥梁承载能力，改善桥梁使用性能。下面，本文就体外预应力加固法在桥梁维修加固中的应用进行探讨，以供同行借鉴。
2 体外预应力加固法作用机理
体外预应力加固法是通过在桥梁梁体外布设拉杆或撑杆与被加固梁体锚固联结，再施加预应力强迫拉杆或撑杆受力改变桥梁原结构内力分布，降低其应力水平，从而提高结构总承载能力的方法。这种方法可以有效的减轻结构变形，缩小裂缝宽度。目前，下撑式拉杆加固法是体外预应力最常用的一种加固方法，这种加固方法可将简支梁视为上承桁架梁，桁架上弦为原结构主梁，下弦为新增设的水平拉杆，腹杆则为新增设的斜拉杆，与梁体接触的垫块则为竖杆。当车辆通过时，新增设的体外拉杆能同原有梁体共同受力，形成超静定体系，并使各拉杆张拉力增加进一步加强梁体。与其它桥梁加固维修方法相比，体外预应力加固法对梁体损伤程度小，施工时对交通影响小，且能大幅度提高旧桥承载能力，恢复甚至提高桥梁荷载等级，但其预应力钢筋及有关构件容易在温度、腐蚀等外界条件作用下造成断裂损坏，因此应采取切实有效的防护措施，以免加固失败。
3 体外预应力加固法设计与计算
3.1 体外预应力加固法设计思路
在采用体外预应力法进行桥梁加固维修前，必须进行设计和计算。在加固维修结束之后，预应力拉杆和构件，与旧桥梁体等构件将会形成一个整体共同受力，因此实际上预应力拉杆和构件同旧桥梁板组成了一个新的复合体系，改变了原有结构的静力状态，这种结构的性能和受力特征同后张法无粘结部分预应力结构极为相似，张拉预应力作用于原梁上，原梁承受着恒载内力，而张拉预应力筋则在原梁上产生了预应力内力，与恒载内力相反，起到卸荷作用。
梁在外载作用下发生挠曲时，梁中原有钢筋会随原梁曲率增加伸长，此时如果所张拉的预应力筋仅在锚因点同原梁接触，其中间部位实际上与梁体是脱离的，不会随之发生弯曲，其应变和应力的增加不如梁体钢筋快，如果梁体发生破坏，预应力筋将不能迅速达到屈服强度。如果将预应力筋同梁体浇筑在一起构建成整体梁，此时预应力筋将会与原梁共同变形，当梁体荷载增加时，预应力筋会同梁体应力同时增大，当梁体产生破坏时可以同时达到屈服，其受力特性与一般预应力混凝土梁相当。
3.2 体外预应力加固法计算步骤
在进行体外预应力加固设计计算时，首先需要计算出待补强构件在提高荷载前所受的荷载和因此产生的内力，其计算方法与桥梁设计内力计算方法相同，包括恒载和活载两部分，同时根据需提高的荷载标准计算出提高后的活载内力，验算加固必要性。在此基础上，以两项之差计算出内力提高值，获得加固维修后所产生的抵抗力矩和剪力等数据，估算预应力拉杆所需的横截面面积，采用结构力学方法分析计算并确定拉杆的张拉力与伸长量。最后，还需按设计规范对承载力进行验算，验算时应当将拉杆所产生的效应视为外力，同全部荷载作用进行偏心受压分析，如果验算结果无法满足设计规范需求，需要采用加大拉杆截面或更换加固方案。
4 体外预应力维修加固构造分析
4.1 体外预应力维修加固结构体系和截面形式
从施工方法上来看，体外预应力维修加固属于后张法，因此多采用后张预应力结构体系进行施工，如简支梁、连续梁、连续刚构等类型桥梁结构体系。采用体外预应力维修加固方法，适用于多种截面形式，包括闭口截面、开口截面、三角形截面、箱形截面等。开口截面钢索布置于混凝土外，在应用时需要考虑外界活动对钢索的不良影响，有用相应的防护措施。闭口截面一般通过箱内横梁锚固预应力筋，利用转向块调整外索方向和受力需求。箱形截面具有较好的抗弯和抗扭性能，其预应力筋布置于截面外，因此截面顶板、底板、腹板尺寸可以更好的根据构件受力要求确定，不用考虑预留管道。
4.2 预应力钢筋、管道以及灌浆材料
体外预应力加固维修所采用的预应力钢筋通常采用钢绞线构成，包括普通钢绞线、镀锌钢绞线、PE防护单根无粘结钢绞线等。管道主要起防腐作用，有钢管道、高密度聚乙烯管道等方式。灌浆材料有刚性灌浆材料和非刚性灌浆材料两种，刚性灌浆材料通常为水泥，非刚性灌浆材料则多为油脂、石蜡等。水泥等刚性灌浆材料适用于存在离散粘结以及完全无粘结的体外预应力结构，油脂、石蜡等非刚性灌浆材料则常用于普通钢绞线和钢制管道组成的体外预应力系统中，以满足钢索同结构无粘结的需求。
4.3 体外预应力维修加固技术锚固系统
锚固系统在整个体外预应力维修加固结构体系中，是最为关键的部分，体外预应力钢绞线仅通常有限的转向点、锚固处同结构进行连接，预应力完全依靠锚具传递，一旦锚具失效则整个结构将产生灾难性后果，因此必须获取规定的静力和动力强度，保证锚具下混凝土支承能力符合规范限值。根据外索使用特点，锚具分为永久式和可调式两大类，永久式锚具适合于体外预应力钢筋同混凝土存在局部粘结的结构之中。可调式锚具分为不可重复张拉和可重复张拉两种，多采用大直径预埋钢管将钢绞线同混凝土全分开，利用工作锚板和螺母传递锚固力。
