體外預應力技術在橋梁加固工程中的應用

體外預應力技術在橋梁加固工程中的應用

0體外預應力在簡支體系橋梁加固中的應用近年來，隨著中國交通運輸業(yè)的發(fā)展，道路橋梁的負荷規(guī)模不斷擴大。20世紀60年代和80年代修建的部分道路橋梁無法承受大型道路橋的負荷，因此存在不同程度的疾病。簡支體系的橋梁在這些出現(xiàn)病害的橋梁中占據(jù)了相當大的比例,而體外預應力作為一種有效的加固方法在加固簡支體系橋梁中得到了廣泛的應用。預應力加固法能夠有效地解決目前其他加固方法無法解決的后加補強材料應力滯后的問題,體外預應力索主動受力,充分發(fā)揮了補強材料的抗拉性能,,能夠積極分擔原梁承受的恒載,有效地提高橋梁的承載能力。1體外預應力筋體系某6跨(3×16.88m+3×11.5m)鋼筋混凝土簡支T梁橋,全長85.14m。橋?qū)?.74m(凈-3.94m+2×0.9m人行道),由4片簡支T梁拼裝而成,行車道數(shù)為單車道單向行駛。橋梁橫斷面尺寸如圖1~2所示。根據(jù)現(xiàn)場靜載試驗結(jié)果及理論分析,推定該橋目前承載能力為單車道公路Ⅱ級荷載。現(xiàn)對該橋進行體外預應力加固處理,提高荷載標準到單車道公路Ⅰ級荷載標準。采用的體外預應力筋構(gòu)造形式為折線形,如圖3所示。預應力筋采用15.24低松弛預應力鋼絞線。2加固設計計算方法2.1預應力鋼筋引起的損失φ15.24低松弛預應力鋼絞線張拉控制應力值:σcon=0.65fptk=1209MPa,實際張拉時,取控制應力σcon=1200MPa。體外預應力損失的計算方法與常規(guī)預應力結(jié)構(gòu)有相應的差別,應對體外預應力損失的計算做特定的考慮。在體外預應力結(jié)構(gòu)中應考慮下列因素引起的預應力損失:(1)錨具變形和預應力筋回縮引起的預應力損失σl1;(2)預應力筋的摩擦引起的預應力損失σl2;(3)預應力鋼筋松弛引起的預應力損失σl4;(4)混凝土的彈性壓縮引起的預應力損失σl6。除此之外,還應考慮使用期間的溫差損失σl3。由錨具變形和鋼筋回縮引起的預應力損失,本例采用夾片錨具(有頂壓):式中:l—張拉端至錨固端之間力筋的有效長度,直線形布筋取張拉端至錨固端間直線距離,折線形布筋取各段力筋長度之和;α—張拉端錨具變形和鋼筋回縮值;Es—預應力鋼材的彈性模量。預應力筋摩阻損失可按下式計算:式中:σcon—預應力筋張拉控制應力;μ—預應力筋與轉(zhuǎn)向裝置間的摩擦系數(shù);θ—預應力筋軸心線之間的空間夾角。鋼筋松弛引起的損失,當采用低松弛預應力鋼絲或鋼絞線且σcon≤0.7fptk時,式中:fptk—預應力鋼筋抗拉強度標準值。式中:△t—年最高溫度差,本例取25℃;αp、αc—分別為體外預應力筋和混凝土的線膨脹系數(shù),如無實測資料時,可取αp=1.2×10-5,αc=1.0×10-5。混凝土彈性壓縮引起的預應力損失可按下式計算:式中:αEP—預應力筋與混凝土的彈性模量比;△σpc—在計算截面先張拉的鋼筋中心處,由后張拉各批鋼筋產(chǎn)生的混凝土法向應力。本例采取對先張拉鋼筋超張拉的方法,調(diào)整各梁的預加力,使得各梁最后的實際有效預加力基本相等,因此混凝土彈性壓縮引起的預應力損失可視為0。體外預應力加固體系中預應力鋼筋總的應力損失為:上述各項損失按其發(fā)生的時間可分為兩組:(2)預壓后發(fā)生的第二批損失用預應力度法求體外預應力筋的面積。當取預應力度λ=0.35時,計算所需體外預應力筋面積Ay=2.88cm2,選8Φ15.24低松弛預應力鋼絞線作為加固的體外索,實際Ay=11.20cm2。用力法計算得:△Xp=37.56kN2.2預應力筋驗算開裂截面的受壓區(qū)高度為X=59.6cm開裂后換算截面中性軸的靜矩Scr=99076.86cm3由所有力的水平投影之和為零可得:σcc=8.15MPa<[σck]=0.5fck=8.35MPa預應力筋驗算:應力驗算結(jié)果滿足要求。2.3體外預應力筋應力增量的計算方法在荷載作用下,梁體的撓度主要由以下兩部分組成:外荷載彎矩產(chǎn)生的撓度f1;預應力筋的作用(由有效張拉應力與應力增量之和)產(chǎn)生的反拱f2。其中外荷載彎矩產(chǎn)生的撓度f1的計算方法同一般預應力混凝土受彎構(gòu)件,可參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTGD62-2004)中的公式。下面主要介紹反拱撓度f2的計算方法。計算構(gòu)件反拱必須確定體外預應力筋的應力,即體外預應力筋有效預應力與荷載變化時預應力筋應力增量二者之和。有效預應力是已知的,關鍵問題是確定荷載變化時預應力筋應力增量?，F(xiàn)有針對簡支體系的計算方法為力法、虛功法、能量變分法以及基于應力-變形關系的計算方法。其中哈爾濱工業(yè)大學對于使用荷載作用階段的應力增量計算采用以能量變分法為基礎,經(jīng)公式簡化推導和回歸分析,得到了體外預應力簡支梁體外索中應力增量的簡化計算公式。具體可參考相關文獻。開裂彎矩:Mcr=(σpc+γftk)W0式中:γ=2S0/W0=1.264;S0—全截面換算截面重心軸以上(或以下)部分面積對重心軸的面積矩;W0—換算截面抗裂邊緣的彈性抵抗矩。Mcr=1068.73kN·m開裂后換算截面慣性矩:活載產(chǎn)生的撓度:考慮長期效應后:fq'=1.6fq=0.211cm預應力筋應力增量產(chǎn)生的反拱度:fp=0.078cm(↑)考慮長期效應后:fq'=1.6fq=0.156cm撓度驗算結(jié)果滿足要求。2.4驗算系數(shù)根據(jù)公路橋規(guī),裂縫寬度驗算按下式:其中:鋼筋表面形狀系數(shù):c1=1.0作用長期效應影響系數(shù):與構(gòu)件受力性質(zhì)有關的系數(shù):c3=1.0換算直徑:d=25.71mm裂縫驗算結(jié)果滿足要求。2.5正截面承載力的計算公式體外預應力混凝土結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件承載能力計算與一般有粘結(jié)預應力受彎構(gòu)件不同之處主要在于:(1)確定預應力筋在外荷載作用下的應力增量需要對整個結(jié)構(gòu)進行分析,而不僅僅是對單個截面進行受力分析;(2)構(gòu)件受荷載作用產(chǎn)生變形后引起的二次效應。對體外預應力混凝土結(jié)構(gòu)進行精確計算是相當復雜的,且往往需要迭代過程;許多學者提出了不同的簡化計算公式以解決這個問題。體外預應力結(jié)構(gòu)與體內(nèi)無粘結(jié)預應力結(jié)構(gòu)的不同之處主要體現(xiàn)在二次效應上,因此當由于外荷載引起的預應力偏心距變化不明顯的時候,設計人員可以考慮在體外預應力結(jié)構(gòu)計算中采用這些經(jīng)驗公式,并通過合理的截面變形假定推導正截面承載力計算公式。中國《無粘結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》(JGJ92-2004)推薦采用以下公式計算無粘結(jié)預應力筋的應力設計值。對采用鋼絞線作無粘結(jié)預應力筋的受彎構(gòu)件,在進行正截面承載力計算時,無粘結(jié)預應力筋的應力設計值σpu宜按下列公式計算:此時應力設計值σpu尚應符合下列條件:式中:σpe—扣除全部預應力損失后,無粘結(jié)預應力筋中的有效預應力(N/mm2);△σp—無粘結(jié)預應力筋中的應力增量(N/mm2);ζo—綜合配筋指數(shù),不宜大于0.4;lo—受彎構(gòu)件計算跨度;h—受彎構(gòu)件截面高度;hp—無粘結(jié)預應力筋合力點至截面受壓邊緣的距離。經(jīng)計算得σp=1036.08MPa<1260MPa2.5.1抗彎強度試驗屬于第二類T形截面,由加固體系的抗彎強度為:抗彎截面滿足橋規(guī)要求。2.5.2vp2—抗剪強度驗算式中:Vcs—混凝土和箍筋共同承擔的抗剪承載力;Vb—彎起鋼筋的抗剪承載力;Vp1—由預應力筋水平分力所提高的抗剪承載力;Vp2—預應力筋豎向分力在梁上產(chǎn)生的剪力。式中:Npo—計算截面上混凝土法向預應力為零時,即消壓狀態(tài)時,體外預應力筋和體內(nèi)非預應力筋的合力?？紤]到預應力的有限作用,當Npo>0.3fcA0時,取Npo=0.3fcA0,A0為構(gòu)件的換算截面面積。式中:Apy—體外預應力筋的總截面積;αpy—體外預應力筋在錨固端的切線角?？辜艚孛鏉M足橋規(guī)要求。3應采用的設計計算方法體外預應力加固結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造形式、施工方