体外预应力技术在某桥梁加固中的应用分析
预应力技术从工程实际应用到现在才半个世纪多，但是由于预应力混凝土具有结构安全可靠、节约材料、自重较小、构件的抗裂性好、刚度大等优点，得以迅速发展，应用范围越来越广泛，应用数量日益增多。预应力技术应用于公路桥梁是在20世纪50年代中期，迄今已有40 多年了。虽然起步较晚，但发展却异常迅速，从理论计算、施工工艺和技术、材料和设备、试验检测、设计和施工队伍等已形成一套较完整的体系。预应力技术不仅用于公路桥梁结构，而且也运用到桥梁的维修和加固、大件提升、顶推施工、边坡或山体锚固等方面，其应用范围还在不断扩大应用前景会与日俱增。随着国民经济和交通建设的蓬勃发展,公路运输量大幅度提高,行车密度及车辆载重不断增加,而桥梁作为公路的咽喉,其使用功能的好坏直接影响整条线路的畅通,其正常营运是确保交通安全的关键。然而桥梁结构由于自身存在使用周期内的自然老化、各种意想不到的自然灾害,设计过程中的历史局限或是施工过程中的初始缺陷,造成现有桥梁中的相当一部分满足不了使用上的要求。实践经验证明,只要采用合理可靠的桥梁加固措施,对恢复和提高桥梁的承载能力及通行能力,延长其使用寿命,是非常合理和可行的。一般情况下,桥梁的加固费用仅为新建桥梁费用的10%～20%,因此,如何充分利用现有桥梁,对其进行有效的技术改造, 具有重大的经济价值和社会意义。
1工程背景
某立交匝道全长98m,桥面宽度8m。全桥位于平曲线上,最小半径为55m,墩、台布置均与道路中心线正交。竖向位于半径为10511526 m的竖曲线上,且沿桩号方向上设置316%和-414%的纵坡。匝道桥上部结构采用(30+38+30)m三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥, PF1桥墩墩顶与主梁固结, PF2桥墩墩顶设支座。如图1、图2所示。该立交匝道工程在上部结构混凝土浇筑完成拆模后,即发现如下主要病害:
(1) 桥梁顶板、腹板多处出现严重的蜂窝孔洞,钢筋外露现象严重;
图1 匝道立面图（单位：cm）
图2 匝道平面图（单位：cm）
(2) 预应力管道定位与设计不符,波纹管破损严重,箱梁内侧的波纹管已经完全损坏,不能穿预应力钢束,预应力管道线形与原设计偏差较大,造成部分预应力筋失效。
2加固方案设计
2.1加固方法的确定
加固方法从原理上可分为被动加固和主动加固两类。被动加固的后加补强材料只承担活载和后增加恒载引起的内力,与原梁的钢筋相比,其应变(应力)相对滞后,一般情况下,在极限状态下其应力达不到抗拉强度设计值,材料无法充分发挥高抗拉性能。解决后加补强材料应变(应力)滞后,提高后补强材料利用效率的根本途径就是变被动加固为主动加固。
主动加固设计思想的核心就是提高后补强材料的利用效率,以最少的成本,创造最佳的加固效果[ 2 ] 。而体外预应力加固则属于主动加固范畴。体外预应力加固通常采用粗钢筋、钢绞线、高强钢丝等材料作为施力工具,在体外对桥梁上部结构施加预应力,以预应力产生的反弯矩部分抵消外荷载产生的内力,改变结构内力分布,提高结构的刚度及抗裂性能。体外预应力技术在实际工程中已有广泛应用,如上饶灵溪大桥加固设计、三门峡黄河大桥加固设计、芜湖市中江桥等。体外预应力加固技术的主要优点:
(1)能充分发挥体外预应力钢筋的的性能,较大幅度提高桥梁的承载能力;
(2)在体外预加力作用下,原梁的裂缝将全部或部分闭合,明显改善原梁的抗裂性能,提高结构的耐久性;
(3)体外预应力加固可在不中断交通的条件下进行,对桥梁的运营影响不大;
(4)体外预应力加固所需设备简单、施工工期短、经济效益显著。
根据本桥的具体病害情况,考虑体外预应力加固法的适用范围及优势,决定拆除内侧波纹管并对结构缺陷进行修补,除对薄弱构件进行补强外,对箱梁主体主要采用体外预应力技术进行加固。
2.2具体加固方案的设计
2.2.1体外预应力筋的布置
根据A类构件正常使用极限状态抗裂要求,经计算本加固结构采用6束21φ515.24mm预应力钢绞线。体外预应力筋布置如图3～图5所示,沿梁全长偏心距保持不变。端横梁处设锚固块,两端张拉。针对曲线梁的特点,利用原有横隔梁和横隔板作为体外预应力筋弯曲平面内的转向装置。由于增加的体外预应力筋预应力径向力合力作用点位于截面剪切中心附近,所以其径向力合力对结构几乎不产生扭矩,体外预应力筋的作用只是增加了原结构的压应力储备。这样,间接减小了原设计预应力径向力合力产生的使箱梁结构向外侧偏转的扭矩,避免预加力径向力造成的扭矩不平衡引起的曲线梁桥出现支座脱空、横向失稳、墩梁固接位置开裂、腹板开裂等病害产生。
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