一、概述
随着国家经济建设的快速发展, 我国的桥梁工程建设日新月异。通过六十多年的发展振兴, 越来越多的桥梁被修建, 而且桥梁的跨径、规模、技术难度与造价也在不断攀升。与此同时, 越来越多桥梁进入维修的时期, 桥梁使用管理工作越来越繁重, 也日异显得重要。
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。
二、桥梁加固方法
桥梁加固一般是通过对构件的补强和结构性能的改善来恢复或提高现有桥梁的承载能力, 以延长其使用年限, 适应现代交通运输的要求。其改造的主要技术途径有:加强薄弱构件、增加辅助构件、改变结构体系、减轻恒载、加固墩台及基础等。
目前桥梁上部结构的加固方法主要包括以下几个方面:
1. 桥面补强层加固法。将原桥面铺装全部凿除或凿毛, 然后加铺一定厚度的补强层, 以增大主梁有效高度及改善桥梁荷载横向分布能力, 从而提高单梁承载能力或桥梁结构整体承载能力。
2. 增大截面与配筋加固法。通过增大构件截面面积或配筋率以提高钢筋混凝土梁的强度、刚度、稳定性。
3. 体外预应力加固法。体外张拉预应力束加固法,是加固效果最明显而施工工艺最为复杂的加固方法。在不增加桥梁自重的前提下, 有效增加加固后主梁的抗弯刚度并大幅度提高主梁的承载能力。同时, 在合理安排施工流程的情况下, 该方法可最大限度地减少对桥上交通的影响, 甚至可以在有限开放交通的情况下, 组织施工。
4. 粘贴钢板加固法。用粘结剂和锚栓将钢板粘贴锚固于混凝土结构受拉面或其他薄弱部位, 使钢板与加固混凝土结构形成整体, 以达到提高结构承载能力的目的。
5. 改变结构受力体系加固法。通过改变桥梁结构受力体系以达到提高结构整体承载能力的目的, 是一种变被动为主动的加固方法。
6. 锚喷混凝土加固法。从隧道施工中转化而来的加固方法, 主要用于因支点截面尺寸偏小而导致的抗剪强度不足的混凝土梁的加固维修。
7. 增加横向联系加固法。通过增设桥梁横向联系,以改善上部结构的荷载横向分布规律, 从而达到提高结构整体承载能力的加固方法。一般用于无内横梁或少内横梁的T 形截面及工字形截面梁式桥, 工程上常在相邻主梁间增设现浇混凝土横梁或钢横梁来提高横向抗弯刚度。
8. 粘贴碳纤维布加固法。碳纤维增强复合材料是一种性能优良的混凝土结构加固材料, 它具有强度高、密度小、耐腐蚀、抗疲劳等优点。其加固法是利用树脂类材料把碳纤维布材或板材粘贴于混凝土结构或构件表面,形成复合材料体, 通过碳纤维布与结构的协同工作, 达到对结构补强加固及改善受力性能的目的。
三、体外预应力加固方法
体外预应力结构与体内预应力结构本质的区别在于体外预应力结构的预应力筋布置在主体结构之外。因体外预应力索通常为由多根钢绞线组合成的集中钢索,故称为体外预应力索。体外预应力加固通常是在梁底或梁侧下部增设预应力加劲钢丝索或预应力粗钢筋补强并分别锚固在梁的两端, 通过设置一定的联结构件使预应力拉杆( 钢丝索或粗钢筋) 与梁体构成一个桁架体系, 成为一次超静定结构, 施加体外预应力, 抵消部分恒载应力, 起到卸载的作用, 从而较大提高桥梁结构的承载能力。
体外预应力混凝土结构的基本组成主要包括: 体外预应力索、管道和灌浆材料, 体外预应力索的锚固系统,体外预应力索的转向装置, 如图1 所示。
四、设计计算的步骤和方法
1. 体外预应力加固体系的力学分析。
用力法求解体外预应力加固体系内力时, 以活载引起的水平钢筋拉力增量为变量, 切断水平筋而得到基本结构, 计算得到水平钢筋承担的力之后, 可进行体外索的配置, 由水平钢筋的张力估算出预应力筋的用量, 最后校核计算结果。
2. 求解加固体系的预应力损失。
预应力损失的计算主要包括: 摩阻力引起的预应力损失; 锚具变形引起的预应力损失; 温差引起的预应力;分批张拉由于混凝土弹性收缩引起的预应力损失; 钢筋松弛引起的预应力损失; 混凝土收缩与徐变引起的预应力损失。
3. 加固体系正常使用阶段验算。
( 1) 钢筋应力验算: 根据应力控制条件来判断是否满足要求。
( 2) 裂缝验算: 采用直接控制裂缝宽度的方式计算, 求最大裂缝宽度。
( 3) 挠度验算: 根据《公路桥涵设计通用规范( JTGD60- 2004) 》, 控制的活载挠度为: fk= fa+ fXp ≤L/ 600。
五、工程实例
某桥梁主梁跨径为19.2m, 原设计荷载为汽- 15, 目前梁体部分混凝土开始脱落, 出现了纵向贯通裂缝, 钢筋也开始有锈蚀, 为了适应目前交通量以及不影响正常的交通, 拟采用体外预应力来加固, 加固后的荷载等级标准为汽- 20。梁体为C25 砼, fc=2.85×104N/mm2。主梁截面尺寸如图2 所示。
跨中截面主筋面积为Ag=68.37cm2, 梁自重及恒载在跨中截面引起的弯矩为Mg=1256.69kN·m, 提高荷载等级后汽车活载在跨中截面产生的弯矩为Mg =1200kN·m。加固体系拟采用钢铰线, 水平钢筋为同钢绞线束, 单根钢铰线的截面面积为Ap1=139mm2, 抗拉强度
标准值为Aptk=1860MPa, 张拉控制应力取σcon=0.55fptk=1023MPa。
1. 计算主梁截面几何性质: 跨中截面对下边缘的抵抗矩:Wσx=6.86×107mm3
2. 计算活载引起的水平预应力筋增量Xp=1.02×10- 310.54×10- 11×Ay( N)
3. 加固体系的预应力损失。
体外预应力加固体系在加固时钢筋的总预应力损失为: σs=σs1+σs2+σs3+σs5=59.87MPa
4. 体外索配筋计算。
求解结果为Ay=1165mm2; 所需预应力钢铰线的根数为8.4, 取9 根。采用3 束3φj15.2 预应力钢筋束,Ay=1251mm2。
5. 计算预应力水平钢筋拉力增量。
采用力法计算可得: Xp=12.1kN, 当采用简化公式来计算拉力增量时, 计算结果为Xp=11.9kN 两者相差很小, 故用简化公式来计算也可以满足要求。
6. 加固体系正常使用阶段验算。
( 1) 钢筋应力验算σy=972.8MPa < f= 1209MPa 故满足控制应力要求。
( 2) 裂缝验算δfmax=0.01mm<f=0.1mm 裂缝最大值满足要求。
( 3) 加固体系的挠度验算fk = 26.03≤L / 600 =32.5mm 故加固体系的挠度满足要求。
综上所述, 对该梁桥进行的体外预应力加固经过各种验算均能满足要求, 经加固后该桥可以达到设计的荷载标准。
六、结论
各种桥梁加固实例表明, 体外预应力加固体系具有以下优点:
1. 受力明确、施工简单、不影响正常交通。
2. 维护修补方便, 可以随时更换预应力筋。
3. 能够大幅度提高旧桥的承载能力。
4. 对原桥的结构损伤很小, 可以做到不影响桥下净空, 且不增加路面标高。
