关于公路桥梁体外预应力加固施工技术探讨
2015-09-22
为了促进经济建设的不断深入，国家在交通设施建设方面的投入也在逐年加大。从具体的使用角度观察，发现相当一部分桥梁工程存在不同程度的质量问题，如桥梁抗震性能不佳、承载力不足、使用年限不达原先设计等。这些质量问题给桥梁工程的安全性埋下了极大的隐患。为了消除这些隐患，使用加固技术对旧桥进行维护便显得尤为重要。体外预应力是一种较为有效的方法，能提高桥梁结构的承载能力，对桥梁起到良好的加固作用。
体外索加固桥梁的设计方法
体外索的材料通常由无粘结钢绞线、粗钢筋、槽钢组合而成。体外索对桥梁受弯构件进行加固时，一般按偏心构件计算梁承载力的大小；按无粘结部分预应力混凝土结构，当截面受弯受损时，梁内的非预应力钢筋将达到屈服，但预应力钢筋没达到强度极限，对使用阶段的应力及结构的变形进行验算；按加筋梁组合结构分别对其受力和使用性能进行分析。对正使用极限状态的各项指标计算时，按整体变形协调条件计算在外载作用下预应力筋的应力增量。
2.桥梁加固实例分析
某大桥为钢筋混凝土T型梁桥，平均跨度为13m，建造时设计载荷为拖-60级、汽-10级。该桥在服役期间，受到船只多次不同程度地撞击，造成部分混凝土脱落、裂缝、钢筋受损等多种形式的质量问题。解决这些问题，首要要将松散的混凝土凿除，使用钢丝刷进行除锈操作，然后选用C40混凝土通过挂模浇筑的方式完成修补，最后利用体外预应力完成加固，且保证加固后桥梁的承载力达到汽-15级。T型主梁翼宽度为178cm，翼缘厚度为12cm，梁肋宽度为18cm，受拉为二级，钢筋的总面积为44.272cm2，混凝土为C25。体外索布置情况如图1所示，支点和转向块之间的距离L3为180cm，转向块彼此距离L2为840cm，端锚固点和转向块之间的距离L1为150cm，中心轴和梁上边缘之间的距离y0u为19.14cm，中心轴和梁下边缘y0d之间的距离为60.86cm，端锚固点和中心轴之间的距离记为h1，转向块和中心轴之间的距离记为h2。每1片T型梁需要有4条无粘结预应力钢绞线与之配套，所以共计16条。固定端和张拉端应该交叉布置，且对两端使用分2次张拉的方式，以收获每片T型梁受力均匀的目的。预应力钢绞线的张拉应力一般控制在855Mpa左右，有效预应力控制在62215Mpa。[2]
桥梁加固施工完成之后，需要进行现场载荷试验，试验工具为两辆载重汽车，汽车的相关参数为前轴55kN、后轴155kN。图1和图2为现场测试布置图。数据是通过对主梁跨中挠度、钢筋、混凝土应力实际测量所得到的结果。
从表1中的数据可以看出，主梁跨中挠度是5.43mm，满足以下两个要求：一、静活载挠度小于等于（1 ／600）L；二、旧桥鉴定校验系数在0.6到0.9之间。结构在抗弯刚度方面符合实际需要，载荷标准为汽-15级。
从表2中的数据可以看出：通过施加预应力，可以使主梁上边缘混凝土受到拉应力，而下边缘混凝土则会受到压应力，且上边缘混凝土总压应力值、下边缘混凝土总拉应力值都会变小。钢筋的校验系数符合旧桥鉴定0.4-0.8的标准。对桥梁实行体外预应力加固处理后，桥梁的载荷能力由汽-10级提升到汽-15级，效果十分突出。通过载荷试验得出如下结论：在汽-15级载荷作用下，经过加固处理桥梁的抗弯承载系数为1.51，满足加固的预定目标，该方法是可行的。
3.施工过程的一些探讨
3.1钻孔操作和碳纤维粘贴
对T型梁的腹板处进行钻孔操作时，需要避开梁体内的受力钢筋。碳纤维的尺寸应为30ｘ30（cm），且粘贴在洞口四周，进一步强化混凝土的局部抗压能力。
3.2穿索和预应力张拉
将写有编号的标签贴在每一条无粘结钢绞线上，按次序将钢绞线一根根穿到钢栓孔中，并调整位置直到最佳状态，接着完成锚杯、夹片外螺母、千斤顶和张拉配件的安装，最后的步骤为预应力张拉。
张拉程序如下：0→10%σcon(读取并记录初始伸长值，然后开始张拉)0→10%σcon（测量并记录伸长值l3）→σcon（测量并记录伸长值）→逐步卸除载直至归零，使用一端张拉法完成钢绞线在梁两侧各一根的对称张拉操作。张拉过程中，不仅要控制好张拉力的筋伸长量也要控制好预应力的筋伸长量，另外还需要对每一片主梁的跨中挠度以及裂缝闭合情况进行持续的观察、测量。
控制张拉力，校验伸长值是张拉过程中用到的主要方法。初应力时，将千斤顶活塞的伸长量记为l1，张拉满足20%σcon时，将千斤顶活塞的伸长量记为l2，由此可以得出钢索的实际伸长量，即l2-l1。当张拉应力满足100%σcon时，将千斤顶活塞的伸长量记为l3，此时钢索的实际伸长量为l3--l1。理论伸长量与实际伸长量之间的差值，因该控制在-5%—— +10%之间。预应力张拉的理论伸长量，可以下面公式进行计算：
l=FpLp/ApEp
公式中，Fp指的是平均张拉力，Lp、Ap、Ep分别代表钢绞线计算长度、面积以及弹性模量。
2片中梁处单根钢绞线张拉力为120kN，2片边梁处则为100kN；对应的初应力一般取12kN、10kN，大小为张拉力的10%。从数据分析，张拉操作时，跨中向上挠度的实测值、理论值较为一致，这意味着理论计算时没有错误，且施工质量较为可靠。[3]
4.施工总结
4.1防松套
单孔夹片式锚具是此加固工程体外预应力索锚固体系所采用的锚具。控制力的理论值为100kN、120kN，张拉吨位相较而言属于较小级别。桥梁的实际用途决定了其必然会受到较大的、长期的振动载荷作用，造成锚具中的夹片放松，严重情形下还会发生失锚的问题。为了避免此类问题，本工程采用防松套作为夹片防松装置，且将弹簧垫片置于两者之间，一方面促使防松套能够对三夹片施力均匀，另一方面发挥减振的作用。[4]
4.2钢销栓和转向块
本加固工程中，钢销栓、转向块是两种最为重要的构件。转向块的设计、施工应该注意以下几点：一、转向块应该由钢板焊接制作而成，能够高效传递预应力，即满足张锚体系锚固和传力方面的要求。二、对体外索进行预应力张拉操作后，受到索力作用，销栓会沿拉索方向给混凝土孔壁一个挤压力，所以应保证销栓尺寸能够与混凝土洞口尺寸相配套，满足混凝土在局部承压方面的要求。三、在索力的影响作用下，锚具不可避免地会对钢栓施加一个挤压力，所以应该对锚下栓体表面进行一定标准的平面加工，通过平面加工，为锚具提供稳定受力的环境，并实现其与体外索垂直。四、销栓在抗弯、抗剪、抗变形等方面要符合设计与实用标准。控制弯曲变形、剪切变形在一个较小的合理范围之内，以保证安装完成后的锚环能够较好地配合预应力索的索力方向。
4.3张锚体系的保护措施
体外预应力索使用无粘结钢绞线，且对钢绞线外裹塑料保护套、油脂，以发挥保护的目的，延长绞线的使用寿命。使用玻璃丝布匹缠包油脂的方法对张锚体系两端的锚具和防松套进行保护。[5]
5.结语
体外索加固法在加固、卸载和减少结构内力方面效果明显。使用体外预应力加固法加固的桥梁在载荷方面提升显著，值得推广。
