體外預(yù)應(yīng)力在橋梁加固中的應(yīng)用

邱乾洲

(珠海市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司)

0 前 言

隨著預(yù)應(yīng)力橋梁和高強(qiáng)混凝土的發(fā)展,體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用將是現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。由于具有無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無法比擬的優(yōu)點(diǎn),如截面尺寸小,施工簡(jiǎn)單,質(zhì)量容易保證等特點(diǎn),更重要體外鋼束可以替換,重張拉,主要應(yīng)用于對(duì)舊橋梁的加固。

1 工程概況

某大橋全長(zhǎng)378m,橋?qū)?11.4m,橋面設(shè)置有雙向兩車道、非機(jī)動(dòng)車道和人行道;其中主橋長(zhǎng)180m,為50m+80m+50m單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,采用懸臂澆筑法施工。該橋的設(shè)計(jì)荷載為“汽 -20”、“掛 -100”,人群荷載為3.5kN/m2,于1993年建成通車。隨著交通量增長(zhǎng),重車、超重車占交通量比例高,該大橋出現(xiàn)一定程度的病害;2004年 5月檢測(cè)發(fā)現(xiàn)主橋跨中下?lián)媳容^嚴(yán)重,相對(duì)于主墩頂橋面而言,下?lián)狭考s為82mm;2008年 8月檢測(cè)發(fā)現(xiàn)主橋跨中又比 04年 5月下?lián)狭思s6mm,有繼續(xù)下?lián)系内厔?shì)。為消除安全隱患,確保橋梁正常運(yùn)營(yíng),急需對(duì)該橋進(jìn)行維修加固。

2 加固設(shè)計(jì)方案

連續(xù)箱梁采取以體外預(yù)應(yīng)力為主的方式加固。體外預(yù)應(yīng)力體系主要由鋼絞線、配套鋼墊板及錨具、與梁體相連的錨固塊、轉(zhuǎn)向裝置、減震裝置及防腐材料等組成。體外預(yù)應(yīng)力鋼束布置于箱梁內(nèi),依靠固定于梁體頂板、底板的錨固塊錨固。鋼束布置線型為空間線型,通過轉(zhuǎn)向裝置控制空間轉(zhuǎn)向點(diǎn)坐標(biāo)以及鋼束轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。鋼束區(qū)間段設(shè)置減震器以減少鋼束的震動(dòng)。轉(zhuǎn)向裝置、減震器與錨固塊均通過植筋技術(shù)錨固于梁體使其與原橋結(jié)構(gòu)連為整體。

2.1 加固方案

本項(xiàng)目50m+80m+50m單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁主跨下?lián)蠂?yán)重,在主跨范圍內(nèi)增加體外預(yù)應(yīng)力體系進(jìn)行加固。主跨箱梁內(nèi)共布置 M15-7鋼絞線 10束,錨固在0#塊內(nèi)新增加的錨固座中,并分別在主跨離主墩頂11.25m、22.5m、31.5m及主跨跨中新增加 7塊橫隔板,作為轉(zhuǎn)向受力裝置。并在新增加的錨固塊和橫隔板中預(yù)留備用束孔。預(yù)應(yīng)力管道采用 Q235Φ85mm無縫鋼管。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)計(jì)算參照J(rèn)TJ023-85公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范;設(shè)計(jì)活載按照原橋設(shè)計(jì)荷載;溫度采用整體升溫 30℃,整體降溫 20℃,非線性溫度梯度參照英國(guó)BS5400規(guī)范;預(yù)應(yīng)力鋼筋采用 Φ15.24高強(qiáng)低松弛鋼鉸線, Ryb=1860MPa、Ey=1.9×105MPa,張拉控制應(yīng)力δk= 0.5Ryb;混凝土按抽芯檢測(cè)結(jié)果,fck=26.25MPa、ftk= 2.475MPa、Ec=3.225×104MPa。

(1)計(jì)算工況,見表 1。

組合Ⅰ:結(jié)構(gòu)自重+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+汽-20 +人群;

組合Ⅱ:結(jié)構(gòu)自重+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+汽-20 +人群+溫度力;

組合Ⅲ:結(jié)構(gòu)自重+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+掛-100。

(2)承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算,見表 2。

表1 正截面抗彎極限承載力驗(yàn)算特征截面表 kN·m

各組合下全橋截面計(jì)算彎距均小于抗彎承載力,滿足規(guī)范要求。

(3)正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算,見表 3。

表2 加固前后成橋應(yīng)力狀態(tài)特征值表 MPa

加固后邊跨的最大正應(yīng)力、中跨的最小正應(yīng)力和最大正應(yīng)力都比加固前有所減小。

表3 正常使用組合應(yīng)力驗(yàn)算MPa

邊跨和中跨在各組合工況下均能滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的應(yīng)力要求。

(4)下?lián)献冃悟?yàn)算,見表 4。

表4 加固前后位移值表 mm

加固所采取的措施能有效限制結(jié)構(gòu)的撓曲,且橋梁撓度變化的趨勢(shì)在減緩。

(5)加固前后對(duì)支撐反力的影響,見表 5。

表5 加固前后對(duì)支撐反力的影響

支座反力增加比例比較小,且本橋樁基均按嵌巖樁設(shè)計(jì),可認(rèn)為支座反力的變化對(duì)基礎(chǔ)無影響。

3 施工中的主要技術(shù)要點(diǎn)

(1)施工時(shí),應(yīng)先對(duì)箱內(nèi)尺寸進(jìn)行復(fù)核,根據(jù)情況對(duì)基座位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,保證安裝位置準(zhǔn)確。

(2)預(yù)應(yīng)力錨固座、新增轉(zhuǎn)向橫隔板及導(dǎo)向槽為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),通過埋植鋼筋與梁體連接為整體。植筋為HRB335Φ16鋼筋,采用鉆孔植筋的方式進(jìn)行,鉆孔深度及植筋采用的結(jié)構(gòu)膠需滿足規(guī)范要求;植筋前應(yīng)用鋼筋探測(cè)儀進(jìn)行鋼筋探測(cè),避免植筋與原箱梁結(jié)構(gòu)鋼筋碰撞。錨固座及轉(zhuǎn)向橫隔板為體外預(yù)應(yīng)力的主要傳力點(diǎn),且張拉噸位較大,施工時(shí)必須確保質(zhì)量。

(3)錨固端部錨固座、轉(zhuǎn)向橫隔板和導(dǎo)向槽的施工,這三部分確定了鋼絞線的空間位置,由鋼束形狀及張拉應(yīng)力決定了等效荷載的大小。轉(zhuǎn)向橫隔板、導(dǎo)向槽使鋼絞線存在偏折,承受局部擠壓應(yīng)力,這就要求錨固端處錨墊板預(yù)埋位置及方向要準(zhǔn)確;轉(zhuǎn)向橫隔板、導(dǎo)向槽的制作應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行,要保證彎折處的曲率半徑,使之平滑,防止張拉時(shí)端部對(duì)鋼絞線的擠壓和卡滑。

(4)新增加的錨固座、轉(zhuǎn)向橫隔板及導(dǎo)向座與原箱梁混凝土結(jié)合面應(yīng)鑿毛,在澆筑新混凝土前,應(yīng)在舊混凝土表面噴涂界面劑,確保新舊混凝土緊密結(jié)合。

(5)鋼絞線的纏繞將會(huì)影響有效預(yù)應(yīng)力的建立,所以必須保證鋼絞線在全橋長(zhǎng)范圍內(nèi)不纏繞。在穿束過程中,由于鋼絞線的長(zhǎng)度在 80m以上,中間要通過多個(gè)導(dǎo)向槽及轉(zhuǎn)向裝置,無法在箱梁內(nèi)進(jìn)行7根鋼絞線的整束穿索,因此采用單根穿索的方法。在實(shí)際施工中,預(yù)先將鋼絞線、錨板孔、密封蓋小孔分別編號(hào),每束7根鋼絞線采用單根穿索,每隔一段就用與密封罩小孔對(duì)應(yīng)的橡膠墊限制鋼絞線的位置,在張拉完畢后發(fā)現(xiàn),采用該方法使得每束鋼絞線順直且無纏繞現(xiàn)象。

(6)體外預(yù)應(yīng)力張拉。

張拉前,千斤頂應(yīng)在監(jiān)理工程師同意的單位檢驗(yàn)并標(biāo)定,千斤頂和油泵必須配套標(biāo)定和配套使用。

當(dāng)錨固座、轉(zhuǎn)向橫隔板及導(dǎo)向槽的混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%且齡期達(dá)到 7d以上時(shí)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉施工。張拉采用YCW-250B型千斤頂,張拉控制力為911.4kN。張拉程序?yàn)?→初張拉(20%張拉力)→50%張拉力(持荷5min)→911.4kN張拉力(持荷5min)→錨固。張拉順序要求由下到上、先外側(cè)后內(nèi)側(cè)進(jìn)行,左右兩束對(duì)稱、兩端同步均勻張拉。

預(yù)應(yīng)力應(yīng)的施加采用張拉力與引伸量雙控。當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉達(dá)到設(shè)計(jì)拉力時(shí),實(shí)際引伸量值與理論引伸量值的誤差應(yīng)控制在 6%以內(nèi)。應(yīng)按有關(guān)規(guī)定對(duì)每批鋼絞線抽檢強(qiáng)度、彈性模量、截面積、延伸量和硬度,同時(shí)應(yīng)就實(shí)測(cè)的彈性模量和截面積對(duì)計(jì)算引伸量作修正,實(shí)際引伸量值應(yīng)扣除鋼束的非彈性變形影響。

(7)封錨灌漿。

張拉完成后 24h內(nèi)灌注防腐油脂,封端前界面應(yīng)鑿毛,充分濕潤(rùn)后,澆筑封端混凝土。鋼絞線沿箱梁的端部應(yīng)進(jìn)行冷切割,預(yù)留 1～2cm長(zhǎng)度,可采用手持砂輪將鋼絞線切割,嚴(yán)禁使用電或氧弧切割。

4 體外預(yù)應(yīng)力在橋梁加固中的應(yīng)用

體外預(yù)應(yīng)力加固法有如下優(yōu)點(diǎn):(1)自重增加少,但可大幅提高承載能力;(2)由于上部自重增加少,因而對(duì)下部影響小;(3)施工簡(jiǎn)單,工期短,經(jīng)濟(jì)效益明顯;(4)施工過程不中斷或少中斷交通;(5)對(duì)原結(jié)構(gòu)損傷小,不影響橋下凈空;(6)應(yīng)力可調(diào)整,預(yù)應(yīng)力束可更換。在舊橋梁維修加固中使用體外預(yù)應(yīng)力是一種十分理想的加固方法,具有廣闊的發(fā)展前景。

需要注意的是:(1)體外束橋梁加固結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造形式及施工方法與常規(guī)的體內(nèi)有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋有較大的差異,因而其預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算方法也有所不同。經(jīng)計(jì)算表明,與一般的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)比較,體外束加固結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失要小得多。針對(duì)這一點(diǎn),預(yù)應(yīng)力鋼筋的控制應(yīng)力應(yīng)適當(dāng)降低.以避免體外預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài),對(duì)改善體外束結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有利。(2)加固施工期間,應(yīng)對(duì)關(guān)鍵斷面的混凝土應(yīng)力狀況予以監(jiān)測(cè),確保施工安全。監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果布置,施工時(shí)若發(fā)現(xiàn)異常,應(yīng)立即停止施工,查明原因。(3)加固完成后,應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫、撓度、基礎(chǔ)變位等情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)控,及時(shí)養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)束語

施工完畢后經(jīng)過半年多的監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明下擾值處于正常工作范圍,梁體沒有出現(xiàn)新的裂縫。實(shí)踐表明,體外預(yù)應(yīng)力的施加,明顯改善了本橋跨中下?lián)系牟『?達(dá)到了預(yù)期的維修加固效果。鑒于體外預(yù)應(yīng)力加固措施能卸載結(jié)構(gòu)內(nèi)力,改善結(jié)構(gòu)受力性能,值得廣泛應(yīng)用于舊橋維修加固的工程實(shí)踐中。