體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土簡支梁橋的設(shè)計方法

黃山

摘 要：以某跨江大橋為工程實例，圍繞體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)進(jìn)行探討，通過對轉(zhuǎn)向裝置以及橋梁結(jié)構(gòu)建立有限元模型分析其受力特點，最終得出結(jié)論：需對預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進(jìn)行加固，使其承載力提高。并對該加固技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，希望為相關(guān)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：體外預(yù)應(yīng)力 轉(zhuǎn)向裝置 加固

在橋梁工程建設(shè)過程中，對其進(jìn)行加固是十分重要的一個環(huán)節(jié)，常用的加固方式是利用預(yù)應(yīng)力鋼筋放置在混凝土截面內(nèi)部的形式，而本文所提到的體外預(yù)應(yīng)力則是另外的結(jié)構(gòu)。兩種方式最重要的區(qū)別不是在力學(xué)方面的問題，而是自身的構(gòu)造所在。具體來說，該結(jié)構(gòu)不存在直接接觸部分，相反利用到的是錨具以及轉(zhuǎn)向塊的作用力。該預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件自身存在多方面的優(yōu)點，比如說降低摩阻損失、結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕、增加構(gòu)造的穩(wěn)定性等。將其應(yīng)用在橋梁加固工程中，能夠充分地發(fā)揮出其自身優(yōu)勢，比如說減少主動受力、構(gòu)件形變幾率。針對主動受力來說，具體指增加了該構(gòu)件的等效外荷載而且此荷載是同恒載以及活載效應(yīng)相反的。同時，利用該技術(shù)還會讓橋梁更加加固，進(jìn)行檢查、更換也會更加方便。

1.工程概況

某跨江大橋荷載達(dá)到：汽-13，拖-60。其所上梁部分的結(jié)構(gòu)為簡支梁，每孔由4片長33m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁組成，梁寬2.20m，高1.70m。該工程中存在的最大的問題就是滲水產(chǎn)生對橋梁的侵蝕危害，最終引發(fā)了橋梁出現(xiàn)裂縫、銹蝕等現(xiàn)象，導(dǎo)致了橋梁外部的裸漏。

2.體外預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)造及細(xì)部分析

此加固技術(shù)具有以下優(yōu)勢：（1）施工過程中對于交通的影響較低；（2）高度成熟的修繕技術(shù)；（3）具有比較夯實的加固效果。因此最終決定將該技術(shù)應(yīng)用于該大橋的主梁部分的加固工作。

2.1體外預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)造

作為預(yù)應(yīng)力混凝土梁體加固工程中最重要的構(gòu)造即轉(zhuǎn)向裝置，其主要作用就是將預(yù)應(yīng)力鋼筋的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變用于曲線配筋，最終來加強整個工程的抗剪能力。此大橋的體外預(yù)應(yīng)力鋼束的組成即由水平、斜這兩部分構(gòu)成。轉(zhuǎn)向裝置被布置在鋼束分離處的L/4的地方。核心部分是由鋼材料組成，要將4束斜鋼束、2束水平鋼束組成主梁。

2.2轉(zhuǎn)向裝置細(xì)部受力分析

2.2.1模型建立

利用MidasFEA建立轉(zhuǎn)向裝置實體模型，設(shè)計轉(zhuǎn)向裝置的具體細(xì)節(jié)尺寸。如圖1所示。

2.2.2荷載工況

要將一下兩項的荷載工況用于具體詳細(xì)的計算工作當(dāng)中：

工況1：最終用于錨墊板外側(cè)部分的應(yīng)力的計算，其是在側(cè)端部進(jìn)行跨中方式的加固工作，此時僅僅需要在錨墊板的外側(cè)部分增加相應(yīng)的荷載即可。

工況2：最終用于計錨墊板側(cè)的應(yīng)力的計算，其是利用在支點部分的側(cè)端進(jìn)行相應(yīng)的固定工作，此時僅僅需要在錨墊板的外側(cè)部分增加相應(yīng)的荷載即可。

2.3計算結(jié)果及分析

通過對工況1、2的計算，核心部分轉(zhuǎn)向裝置單元在角隅的地方應(yīng)力會更加明顯，而主拉應(yīng)力始終維持在較低值。在工況1下拉應(yīng)力的最大值為185MPa，在工況2下拉應(yīng)力的最大值為193MPa。由此看來，這兩種情況下是全部不比Q345鋼材軸產(chǎn)生的向容許應(yīng)力大，可見轉(zhuǎn)向塊處于正常狀態(tài)。

3.加固計算與驗算

3.1結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式，采用結(jié)構(gòu)分析有限元通用程序 Midas Civil進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)的建模與分析。

3.2原橋承載能力計算

根據(jù)有限元模型計算結(jié)果，分別采用汽-15和公路II級車道荷載，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行荷載效應(yīng)組合.汽-15級作用下跨中最大彎矩為4574.1kN·m，公路I I級作用下跨中最大彎矩為6114.7kN·m.利用Midas civil進(jìn)行截面抗力估算，跨中正截面抗力值5056.56kN·m，則：4574.1kN·m<5056.56kN·m<6114.68kN·m故該橋上部結(jié)構(gòu)滿足汽-15級荷載，但不滿足公路Ⅱ級荷載，需對預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進(jìn)行加固，使其承載力提高，滿足公路Ⅱ級荷載的需要，同時滿足抗裂性等要求。

3.3體外預(yù)應(yīng)力鋼束面積估算

估算體外預(yù)應(yīng)力鋼束面積時，應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力損失及松弛.加固所需預(yù)應(yīng)力鋼絞線的根數(shù)為：140×1860×0.65×0.8 =6.91根，故體外預(yù)應(yīng)力筋鋼絞線面積為140×2×4=1120mm2。

3.4加固效率計算

公路Ⅱ級荷載作用下基本組合效應(yīng)值比汽-15作用下增加33.6%；加固前原梁承載力為5056.56kN，加固后用Midas Civil計算得截面承載力為7575.42kN，承載力增加幅度為49.81%.利用Midas Civil對結(jié)構(gòu)加固后的承載能力、抗裂性、以及應(yīng)力和變形進(jìn)行了驗算，均滿足要求。

4.國內(nèi)外體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)現(xiàn)狀

依據(jù)預(yù)應(yīng)力布置鋼筋的方式的不同，預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可分為兩種：（1）體內(nèi)布鋼筋；（2）體外布鋼筋。前一種方式，其優(yōu)點是整個施工過程較為簡便，進(jìn)行鋼筋更換的時候也較為便利，也是因為以上優(yōu)勢的存在使其成為橋梁進(jìn)行加固施工時常用的布置鋼筋法。進(jìn)一步來說，該法就是利用鋼束所形成的預(yù)應(yīng)力最終產(chǎn)生的拉力進(jìn)行工作的，此處預(yù)應(yīng)力進(jìn)行施加的部分只能在錨固處完成。

4.1加固類型和特征

體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁法，主要原理是原有受力體系進(jìn)行改變。依據(jù)加固的對象，可將該加固方法分為兩種：（1）預(yù)應(yīng)力拉桿加固；（2）預(yù)應(yīng)力撐桿加固。前者是將加固的重點位置放在了受彎構(gòu)件處，而后者則將重點放在軸心處以此增加其受壓力。

依據(jù)加固結(jié)構(gòu)所要求的受力，可將該加固方法分為三種：（1）水平拉桿；（2）下?lián)卫瓧U；（3）組合式拉桿。水平拉桿是針對在正截面進(jìn)行受彎時較低承受力時的處理辦法，可以做到讓梁的撓度有所降低，盡可能避免構(gòu)件之間發(fā)生的裂縫現(xiàn)象。下?lián)卫瓧U則是利用斜截面、正截面進(jìn)行受彎時較低的承受力，同樣可以起到水平拉桿的兩種作用，只是針對的加固結(jié)構(gòu)受力的不同而已。組合式拉桿利用到前兩種拉桿各2根，針對的是正截面進(jìn)行受彎時較低承受力但是此時斜截面的承受力還可以挽救時利用的方法。

4.2體外預(yù)應(yīng)力加固法機(jī)理

體外預(yù)應(yīng)力加固法其原理為利用設(shè)置在橋梁外面的拉桿或撐桿，將錨固與前者進(jìn)行結(jié)合，通過預(yù)應(yīng)力的作用讓拉桿或者撐桿強迫地進(jìn)行受力。這樣可以使原結(jié)構(gòu)中的具體受力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終為了提升橋梁的承載能力。

目前，國內(nèi)外利用下?lián)问嚼瓧U方法進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固比較普遍。原結(jié)構(gòu)的主梁部分也可叫折架的上弦，水平拉桿用在下弦處是利用此加固方法需對橋梁進(jìn)行新增的構(gòu)件，腹桿部分是斜拉桿的更新構(gòu)件。豎桿是用在接觸橋梁的，其實質(zhì)是墊塊。此處用到單墊塊的話就成為單柱式，那么用到雙墊塊則是雙柱式。在針對斜桿進(jìn)行錨固時，根據(jù)錨固位置的不同分為兩種，其一梁端頂部，其二梁肋頂部?；瑝K鏈接在斜桿的底部位置，依靠拉桿時產(chǎn)生的收緊力量形成了上托力，以及產(chǎn)生的摩擦力。針對斜桿來說，其張拉的產(chǎn)生并不是一下就通過施加產(chǎn)生，最重要的是利用水平拉桿形成拉力以此讓滑塊發(fā)生相對的位移，增加長度。加固工作的完成標(biāo)志就是水平拉桿張拉力最終到達(dá)相關(guān)方案設(shè)計值時，進(jìn)行兩端錨固。梁體上所形成的偏心軸向壓力是由斜桿頂端以及梁底墊塊上作用著的水平分力共同產(chǎn)生的。梁體的加強就是最終通過以上的受力以及各拉桿的張拉共同完成的。

5.結(jié)束語

（1）利用到的體外預(yù)應(yīng)力法進(jìn)行對預(yù)應(yīng)力簡支T橋梁的加固施工，整體來說憑借自身成熟的技藝以及較小的交通影響，讓梁體的承受力得到很大的提升。

（2）在進(jìn)行張拉錨固的過程中，先詳盡分析轉(zhuǎn)向裝置，以此證明該構(gòu)造自身具有較廣的應(yīng)用性。

（3）對于本文所提實例大橋進(jìn)行加固工程之后，橋梁的承載力針對之前的結(jié)構(gòu)來說，有了很大的提升，而且是具有安全保障的，在未來的加固工程中可以進(jìn)行推廣。

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