体外预应力技术在桥梁加固工程中的应用
1引言
随着改革开放以来的经济高速发展,社会生产力的快速提高,早期修建的桥梁大多已经难以满足现阶段道路运输的增长需求,在大量扩建交通基础设施的同时,对大量旧桥进行加固已是势在必行,体外预应力技术便在这种环境中应运而生。
2体外预应力体系的布置形式、组成及施工方式
2.1根据桥梁病害可以有针对性的设置
常见的布置形式有:顶板体外索、腹板体外索、底板体外索;也可以设置通长索布置成空间曲线,通过转向块多点传力,改善结构的整体应力状况,提高梁体预应力储备。
2.2体外预应力体系的组成
(1)体外索:最好采用高强度的环氧涂层钢绞线,自身有一定的防腐功能。
(2)锚具和夹片:需要与体外索配套的锚具和专用夹片。
(3)锚固和转向构件:可根据具体的工程需要设计为钢结构和钢筋混凝土结构,一般通过种植钢筋、化学锚栓或结构胶和原结构连接。
(4)防振限位装置:体外索的自由段过长会受通车影响和梁体一起振动,这种振动对索体锚固和结构受力不利,且会加快预应力筋的松弛。一般自由段长度超过12m就需要设置一道防振限位装置。防振限位装置多采用型钢作为骨架锚固在相应结构处,加工比索体略大的II形钢板盒用螺栓固定在型钢骨架上;先用环形夹具收紧整束索体,再用橡胶包裹紧索体固定在II形钢板盒内;收紧螺栓便可以起到防振限位的作用。
2.3施工方式
(1)体外索的传布:可人工穿索也可利用卷扬机牵引穿布钢绞线。
(2)体外索的张拉:设置了分丝器的体外索可以单根张拉,主要机具是穿心式单孔千斤顶和配套油泵;没有设置分丝器的体外索最好一束整体张拉,主要机具是整体穿心式大千斤顶和配套油泵。
3体外预应力技术的特点
在众多的桥梁加固技术中,只有体外预应力技术可以在不改变原桥梁结构形式的前提下增加桥梁的承载能力,大幅度改善结构的安全性能;相对于常规的结构补强等被动加固措施,体外预应力通过新增体外索对原结构施加新的预应力,主动改变结构的应力状态,加固效果更加显著可靠,且可以通过监控梁体应变等方法直观的检测到。
3.1体外预应力的优点
(1)体外预应力体系布置灵活,可以根据桥梁病害进行全桥加固也可以进行局部加固。
(2)体外索仅在锚固处和转向处与结构相连,减小摩阻损失,由荷载产生的应力变化分散在预应力筋全长上,应力变化值小,对结构受力有利,提高体外索的使用效率。
(3)体外预应力技术是对原结构的主动加固,体外索对原结构施加的预应力简洁明了,可以部分恢复跨中下挠量和阻止其进一步下挠,在补偿原桥预应力损失的同时使结构的应力状态明显改善,加固效果可靠。
(4)锚固和转向构件结构形式灵活可变,设置在梁体内部不影响桥下净空、跨径和桥梁外观。
(5)体外预应力体系整体自重较小,一般不需对下部结构进行格外的加固处理。
(6)施加的预应力可以根据需要通过调整索力来增减,体外索可以整束调整或更换,使用期间的维护比较方便。
3.2体外预应力的缺点
(1)体外索暴露在结构外,需加强防腐等保护措施。
(2)锚固及转向区域容易产生应力集中,局部应力较大,对锚固和转向构件施工要求较高。
(3)体外索张拉力较小,不能充分发挥现有钢绞线的高强度性能,对锚具及夹片的要求很高。
4体外预应力技术在桥梁加固工程中的应用实例
4.1广州市某连续刚构桥加固工程
4.1.1工程概况
广州市某高速公路(86+160+86)m预应力混凝土连续刚构桥,大桥左右线独立设置,采用单箱单室直腹板箱型截面。
原桥箱梁采用三向预应力体系。纵向和横向预应力束采用高强钢绞线,竖向预应力采用精轧螺纹粗钢筋。梁体加固前的主要病害为:(1)桥梁各跨跨中均较存在一定的下挠,中跨跨中最大下挠量达27.23cm;(2)全桥多处分部结构裂缝。
4.1.2体外预应力加固措施
本桥的总体纵向加固手段为体外预应力加固法,用于提高主梁结构的预应力度,补偿已损失的纵向预应力。根据设计要求,每幅桥共新增布置26束体外索,体外索分为三种类型:通长索N1(单幅4束、单根工作长度约333m)、中跨索N2(单幅6束、单根工作长度约180m)和支点短索N3(单幅每支点各8束、单根工作长度36m)。体外索相对与梁体两侧和两端均对称布置,施工时每次张拉对称的一对钢束,钢绞线在两端同步张拉。支点短索采用12-7 5钢绞线,通长索和中跨索采用31-7 5钢绞线。
体外预应力拉索采用FECS15.2SP型环氧涂层填充型钢绞线。公称面积140mm2,抗拉强度标准值为1860MPa,弹性模量为1.9�05MPa,锚下张拉控制应力为0.55Ryb。
体外索布置在箱内,张拉完成后成空间曲线,经转向器(分丝/整体)和预埋钢管穿过转向架,达到转向和传力的目的,通过锚固块锚固。为方便与原结构的连接,所有锚固装置和转向装置均采用混凝土结构。为防止桥面行车引起钢束过大震动,沿体外索纵向每隔8m左右设置一道防振限位装置。
体外索锚具采用FSM.TWC15-31型(带承压筒、防松装置、锚板、调节螺母、密封装置、密封筒组件)、FSM.TWB15-31型(带保护罩组件、防松装置、锚板、密封装置)、FSM.TWB15-12型(带保护罩组件、防松装置、锚板、密封装置)锚具,夹片为FSM-W15型。满足分级、补张拉和放松拉力等张拉工艺要求,同时可以整束调索、换索,并且具有良好的自锚性能、松锚性能和安全的重复使用性能。
4.1.3施工工艺流程
索道清理及穿索准备→钢绞线下料→穿布钢绞线→安装锚具、夹片→钢绞线牵引(初张拉)→对称张拉钢绞线→多余钢绞线切除→安装防松压板及索夹→锚头灌注环氧砂浆→安装保护罩并灌注防腐油脂→安装防振限位装置。
4.1.4本桥体外预应力的特点
(1)体外索为纵向顶板索,中间设有混凝土转向块,体外索的走向基本顺着桥形,体外索为31孔钢绞线,索力巨大,采用钢结构锚固块及转向块很难满足锚固要求,全部采用混凝土结构,锚固块构造相当复杂,浇筑困难。
(2)体外索长度大,最大达340m,支点之间的距离最大到60多米,钢绞线的松弛长度较大,合理计算钢绞线的下料长度,避免浪费。钢绞线安装后需用单孔千斤顶进行单根牵引,保证整体张拉前每根钢绞线基本张紧,受力均匀、线形一致。
(3)体外索采用的是可调可换锚固体系,体外索根据需要可以进行整体调索换索,也可以进行单根调索换索,为后期的维护提供很大的便利。
(4)体外索为环氧喷涂钢绞线,环氧涂层很厚,不能采用常规的张拉办法。通索采用漂浮张拉体系进行张拉,在分七级张拉过程中,工作夹片始终不受力,对工作夹片起到了很好的保护作用。中跨索采用日本进口单孔千斤顶进行张拉。
4.2安徽省芜湖市某大桥加固工程中采用的腹板体外索
4.3吉林省松原市某大桥加固工程中采用的底板体外索
5总结
体外预应力技术是一种灵活的主动加固技术,相对与其他常规的桥梁加固措施,体外预应力技术可以主动改善结构的应力状况,大幅度改善结构的安全性能。本文结合桥梁加固工程实例详细介绍了体外预应力体系的施工方法,总结了体外预应力技术的特点,对类似的桥梁加固工程有着一定的参考价值。
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