體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁加固工程中的應(yīng)用

0體外預(yù)應(yīng)力在簡(jiǎn)支體系橋梁加固中的應(yīng)用近年來(lái)，隨著中國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，道路橋梁的負(fù)荷規(guī)模不斷擴(kuò)大。20世紀(jì)60年代和80年代修建的部分道路橋梁無(wú)法承受大型道路橋的負(fù)荷，因此存在不同程度的疾病。簡(jiǎn)支體系的橋梁在這些出現(xiàn)病害的橋梁中占據(jù)了相當(dāng)大的比例,而體外預(yù)應(yīng)力作為一種有效的加固方法在加固簡(jiǎn)支體系橋梁中得到了廣泛的應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力加固法能夠有效地解決目前其他加固方法無(wú)法解決的后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)力滯后的問(wèn)題,體外預(yù)應(yīng)力索主動(dòng)受力,充分發(fā)揮了補(bǔ)強(qiáng)材料的抗拉性能,,能夠積極分擔(dān)原梁承受的恒載,有效地提高橋梁的承載能力。1體外預(yù)應(yīng)力筋體系某6跨(3×16.88m+3×11.5m)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁橋,全長(zhǎng)85.14m。橋?qū)?.74m(凈-3.94m+2×0.9m人行道),由4片簡(jiǎn)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(chǎng)靜載試驗(yàn)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(jí)荷載。現(xiàn)對(duì)該橋進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固處理,提高荷載標(biāo)準(zhǔn)到單車道公路Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)。采用的體外預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造形式為折線形,如圖3所示。預(yù)應(yīng)力筋采用15.24低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。2加固設(shè)計(jì)計(jì)算方法2.1預(yù)應(yīng)力鋼筋引起的損失φ15.24低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力值:σcon=0.65fptk=1209MPa,實(shí)際張拉時(shí),取控制應(yīng)力σcon=1200MPa。體外預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算方法與常規(guī)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有相應(yīng)的差別,應(yīng)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算做特定的考慮。在體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中應(yīng)考慮下列因素引起的預(yù)應(yīng)力損失:(1)錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl1;(2)預(yù)應(yīng)力筋的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失σl2;(3)預(yù)應(yīng)力鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl4;(4)混凝土的彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl6。除此之外,還應(yīng)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(yù)應(yīng)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(zhǎng)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(zhǎng)度之和;α—張拉端錨具變形和鋼筋回縮值;Es—預(yù)應(yīng)力鋼材的彈性模量。預(yù)應(yīng)力筋摩阻損失可按下式計(jì)算:式中:σcon—預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力;μ—預(yù)應(yīng)力筋與轉(zhuǎn)向裝置間的摩擦系數(shù);θ—預(yù)應(yīng)力筋軸心線之間的空間夾角。鋼筋松弛引起的損失,當(dāng)采用低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲或鋼絞線且σcon≤0.7fptk時(shí),式中:fptk—預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。式中:△t—年最高溫度差,本例取25℃;αp、αc—分別為體外預(yù)應(yīng)力筋和混凝土的線膨脹系數(shù),如無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí),可取αp=1.2×10-5,αc=1.0×10-5?；炷翉椥詨嚎s引起的預(yù)應(yīng)力損失可按下式計(jì)算:式中:αEP—預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的彈性模量比;△σpc—在計(jì)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(yīng)力。本例采取對(duì)先張拉鋼筋超張拉的方法,調(diào)整各梁的預(yù)加力,使得各梁最后的實(shí)際有效預(yù)加力基本相等,因此混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失可視為0。體外預(yù)應(yīng)力加固體系中預(yù)應(yīng)力鋼筋總的應(yīng)力損失為:上述各項(xiàng)損失按其發(fā)生的時(shí)間可分為兩組:(2)預(yù)壓后發(fā)生的第二批損失用預(yù)應(yīng)力度法求體外預(yù)應(yīng)力筋的面積。當(dāng)取預(yù)應(yīng)力度λ=0.35時(shí),計(jì)算所需體外預(yù)應(yīng)力筋面積Ay=2.88cm2,選8Φ15.24低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為加固的體外索,實(shí)際Ay=11.20cm2。用力法計(jì)算得:△Xp=37.56kN2.2預(yù)應(yīng)力筋驗(yàn)算開(kāi)裂截面的受壓區(qū)高度為X=59.6cm開(kāi)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(yù)應(yīng)力筋驗(yàn)算:應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。2.3體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量的計(jì)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f(wàn)1;預(yù)應(yīng)力筋的作用(由有效張拉應(yīng)力與應(yīng)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f(wàn)1的計(jì)算方法同一般預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件,可參考《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》(JTGD62-2004)中的公式。下面主要介紹反拱撓度f(wàn)2的計(jì)算方法。計(jì)算構(gòu)件反拱必須確定體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力,即體外預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力與荷載變化時(shí)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量二者之和。有效預(yù)應(yīng)力是已知的,關(guān)鍵問(wèn)題是確定荷載變化時(shí)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量。現(xiàn)有針對(duì)簡(jiǎn)支體系的計(jì)算方法為力法、虛功法、能量變分法以及基于應(yīng)力-變形關(guān)系的計(jì)算方法。其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)于使用荷載作用階段的應(yīng)力增量計(jì)算采用以能量變分法為基礎(chǔ),經(jīng)公式簡(jiǎn)化推導(dǎo)和回歸分析,得到了體外預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁體外索中應(yīng)力增量的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。具體可參考相關(guān)文獻(xiàn)。開(kāi)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(duì)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(kāi)裂后換算截面慣性矩:活載產(chǎn)生的撓度:考慮長(zhǎng)期效應(yīng)后:fq'=1.6fq=0.211cm預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量產(chǎn)生的反拱度:fp=0.078cm(↑)考慮長(zhǎng)期效應(yīng)后:fq'=1.6fq=0.156cm撓度驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。2.4驗(yàn)算系數(shù)根據(jù)公路橋規(guī),裂縫寬度驗(yàn)算按下式:其中:鋼筋表面形狀系數(shù):c1=1.0作用長(zhǎng)期效應(yīng)影響系數(shù):與構(gòu)件受力性質(zhì)有關(guān)的系數(shù):c3=1.0換算直徑:d=25.71mm裂縫驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。2.5正截面承載力的計(jì)算公式體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件承載能力計(jì)算與一般有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件不同之處主要在于:(1)確定預(yù)應(yīng)力筋在外荷載作用下的應(yīng)力增量需要對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,而不僅僅是對(duì)單個(gè)截面進(jìn)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(yīng)。對(duì)體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確計(jì)算是相當(dāng)復(fù)雜的,且往往需要迭代過(guò)程;許多學(xué)者提出了不同的簡(jiǎn)化計(jì)算公式以解決這個(gè)問(wèn)題。體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與體內(nèi)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的不同之處主要體現(xiàn)在二次效應(yīng)上,因此當(dāng)由于外荷載引起的預(yù)應(yīng)力偏心距變化不明顯的時(shí)候,設(shè)計(jì)人員可以考慮在體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)計(jì)算中采用這些經(jīng)驗(yàn)公式,并通過(guò)合理的截面變形假定推導(dǎo)正截面承載力計(jì)算公式。中國(guó)《無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ92-2004)推薦采用以下公式計(jì)算無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力設(shè)計(jì)值。對(duì)采用鋼絞線作無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的受彎構(gòu)件,在進(jìn)行正截面承載力計(jì)算時(shí),無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力設(shè)計(jì)值σpu宜按下列公式計(jì)算:此時(shí)應(yīng)力設(shè)計(jì)值σpu尚應(yīng)符合下列條件:式中:σpe—扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后,無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋中的有效預(yù)應(yīng)力(N/mm2);△σp—無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋中的應(yīng)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(jì)算跨度;h—受彎構(gòu)件截面高度;hp—無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋合力點(diǎn)至截面受壓邊緣的距離。經(jīng)計(jì)算得σp=1036.08MPa<1260MPa2.5.1抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)屬于第二類T形截面,由加固體系的抗彎強(qiáng)度為:抗彎截面滿足橋規(guī)要求。2.5.2vp2—抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算式中:Vcs—混凝土和箍筋共同承擔(dān)的抗剪承載力;Vb—彎起鋼筋的抗剪承載力;Vp1—由預(yù)應(yīng)力筋水平分力所提高的抗剪承載力;Vp2—預(yù)應(yīng)力筋豎向分力在梁上產(chǎn)生的剪力。式中:Npo—計(jì)算截面上混凝土法向預(yù)應(yīng)力為零時(shí),即消壓狀態(tài)時(shí),體外預(yù)應(yīng)力筋和體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力筋的合力?？紤]到預(yù)應(yīng)力的有限作用,當(dāng)Npo>0.3fcA0時(shí),取Npo=0.3fcA0,A0為構(gòu)件的換算截面面積。式中:Apy—體外預(yù)應(yīng)力筋的總截面積;αpy—體外預(yù)應(yīng)力筋在錨固端的切線角?？辜艚孛鏉M足橋規(guī)要求。3應(yīng)采用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法體外預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造形式、施工方