铁路桥梁加固（三）
第四节 体外预应力加固方法与技术
一、预应力加固法基本概念
预应力加固是指运用预应力原理，在增设构件(以下简称“加固件”)或原有构件(如主梁梁体)中，施加了一定初始应力(即预应力)的一种加固方法。
对于钢筋混凝土或预应力混凝土梁板，采用对受拉区施以预加压力的加固方法，可以抵消部分自重应力，起到卸载作用，从而能较大幅度地提高梁的承载能力。
用预应力方法加固桥梁结构时，应考虑的主要问题有：施加预应力方式方法；预应力损失的估计和减少预应力损失的措施；以及预应力加固的计算等。
1. 施加预应力常用方法
用预应力法加固钢筋混凝土或预应力混凝土梁板，其加固件一般采用钢杆、粗钢筋或钢丝索等钢材，施加预应力的方法有纵向张拉法、横向张拉法和张拉钢丝束等。纵向张拉法在施加的预应力数值较小时可采用螺栓、丝杆、花篮螺丝等简易拉紧器进行张拉。在施加的预应力较大时，可采用手拉葫芦、千斤顶张拉或电热法张拉。横向张拉法基本原理是在钢拉杆中部施加较小的横向外力，从而可在钢拉杆内获得较大的纵向内力。由于横向张拉外力一般并不很大，采用螺栓、丝杆、花篮螺丝等简易工具即可。钢丝束通常通过锚具用千斤顶进行张拉，如果张拉要求不高，可以采用撬棍等工具绞紧钢丝绳束亦可产生预拉应力。
2. 预应力损失估计和减少预应力损失的措施
预应力损失是影响到预应力加固的适用范围和加固后工作状态的重要问题。预应力损失由加固件本身和承受加固件作用的结构两方面的变形而产生，主要的具体因素有：
(1)基础徐变和地基沉降；
(2)被加固构件收缩和其他变形；
(3)加固件本身徐变；
(4)加固件节点和传力构造变形；
(5)温度应变。
在预应力加固件使用过程中，由于基础沉降，温度应变，新浇混凝土徐变等具体原因将产生较大预应力损失，这时，为减少预应力损失以保证加固效果，必须在加固过程中，预留构造措施，以便在使用过程及时调整加固件的工作应力数值。
3.预应力加固设计计算
预应力加固设计计算，应首先绘制加固前后结构受力图形，分析内力的变化。加固件中工作应力数值应满足原有结构加固的需要。加固件中施加的预应力数值应为工作应力和预应力损失数值之和。预应力损失值在具备一定经验和资料时可由计算确定，在经验和资料尚不充分时宜在加固前用实验测定。
预应力加固法具有许多优点，如加固效果好工作可靠，可以减少或限制结构的裂缝和其他变形；对桥梁营运使用的影响较小，可在不限制通行的条件下完成加固施工；在人力，物力和资金消耗方面也具有明显的经济合理性。因此，预应力加固法既可作为桥梁通过重车的临时加固手段，又可作为永久性提高桥梁荷载等级的措施。
二、预应力拉杆加固钢筋混凝土梁板
钢筋混凝土梁板是受弯或以受弯为主的横向受力构件。其预应力补强加固一般采用预应力拉杆，常用的拉杆体系有三种：水平预应力补强拉杆、下撑式预应力补强拉杆以及组合式预应力补强拉杆。各种拉杆体系的结构和加固原理分述如下：
1. 水平预应力补强拉杆加固法
对于钢筋混凝土或预应力混凝土的T梁或工字梁桥，可采用在梁断面的受拉力，即在梁底下加设预应力水平拉杆的简易补强方法进行加固，加固结构如图2-7所示。
从图2-7中可以看到，当拉杆安装并通过紧销钢栓实施横向拉力后，钢拉杆内将产生较大纵向拉力，于是，梁受拉区就受到拉杆顶压应力的作用，梁中受拉应力也就相应减少。
从加固原理上看，这种补强加固法可提高梁构件正截面抗弯承载能力，但不能提高支座附近斜截面抗剪承载能力。
图2-7 水平预应力补强加固法
2. 下撑式预应力补强拉杆加固法
将水平补强拉杆在接近支座处向上弯起，锚固于梁板支座的上部，弯起点处增设传力构造，再施加预拉应力。这种加固装置即为下撑式预应力补强拉杆的加固方法。
在桥下净空许可的条件下，可采用如图2-8所示的下撑式补强拉杆加固梁式钢筋混凝土梁的方法。
图2-8 下撑式的预应力补强加固法
这种加固法的预应力补强拉杆用钢材做成，拉杆弯起点设立柱，立柱用钢筋混凝土或混凝土做成。立柱一般设在l／4跨径的地方，以使预应力加固的斜拉杆与水平线的角度为30o-50o 。
预应力加固件的斜拉杆，装在被加固的梁腹板左右两侧支座上方的两端。在钢筋混凝土梁上凿开一个安装垫座的位置，割去一部分梁的钢筋箍和竖钢箍，将用角钢或槽钢做成的支承垫座安放在凿好的洞内，并与斜拉杆成垂直角。斜拉杆的一端插入支承垫座内用螺帽扣紧，另一端在立柱下面用一对节点板和水平拉杆结合。装好之后，用花篮螺丝把加劲的水平拉杆拧紧。为减少对桥下净空的影响，预应力补强拉杆也可布置在主梁腹部的两侧(中性轴以下)，如图2-9所示，a)、b)为两种不同的布置形式。
图2-9预应力补强拉杆
为使补强拉杆锚固于梁腹板，形成整体，锚固的方法有很多种，如图2-10所示，a)为夹具锚固的情况；b)为用钢板套箍锚固的情况。
图2-10补强拉杆锚固于梁腹板
由于下撑式预应力补强拉杆布置较为合理，拉杆中施加预应力后，通过拉杆弯起点的支托构件传力，与梁结构产生作用力，起到卸载的作用。这种加固方法的优点是可对受弯构件垂直截面上的抗弯强度和斜截面上的抗剪强度同时起到补强作用。此法加固效果显著，可将原结构的承载能力增大一倍。
3.组合式预应力补强拉杆加固法
既布置水平补强拉杆，又布置有下撑式补强拉杆，这种加固方式称为组合式预应力加固方法，如图2-11所示。
图2-11 组合式预应力加固方法
组合式预应力补强拉杆的加固方法，既具有下撑式预应力补强拉杆，同时提高抗弯、抗剪强度的优点，又可在必要时将通常安设的两根拉杆增加到四根(两根水平拉杆)，从而可更大幅度地提高承载能力。
上述三种预应力补强拉杆加固法的采用，可根据具体情况进行选择。从补强的内力种类来看，当梁板跨中受弯强度不足，而斜截面上抗剪强度足够时，可采用水平预应力拉杆及其他两种拉杆。当梁板支座附近斜截面抗剪强度不足时，则采用下撑式和组合式预应力拉杆。从要求补强加固后承载力能提高较大时，宜采用组合式补强拉杆。此外，三种拉杆的选择均须考虑施工的方便与可能。
三、预应力补强加固设计与应用实列
1．预应力补强加固的设计步骤
采用预应力补强拉杆加固桥梁构件，应事先进行必要的设计计算。由于加固后预应力拉杆与钢筋混泥土梁板构件将组成一个整体并共同工作，因此，补强拉杆与被补强梁板组成一个新的复合体系，这样就改变了结构原来的静力图形，并且提高了承载能力。
预应力补强加固设计计算步骤和方法如下：
(1)通过计算，求出被补强构件提高荷载等级前所受荷载及其引起的内力，其中，包括恒载内力和活载内力计算两项内容。方法与通常桥梁设计时的内力计算相同，不再赘述。
(2)通过计算，求出拟提高荷载标准后的活载内力，并由恒载与活载的组合验算加固的必要性。
(3)由于上面二项之差，求出内力的提高值，即需补强加固的抵抗力矩及剪力等，估算出补强拉杆应有的横截面面积，如图2-12所示，由ΣM´=0，得M´=Aγ．Rγ(hγ—x´)，即Aγ=M´／Rγ(hγ—x´)
式中：M’为需补强加固的抵抗力矩； Ry对于软钢，估算时可采用容许应力值；(hγ—x´)为补强钢筋重心到构件中和轴的高度。
用此法估算求得的补强拉杆横截面面积，通常是很充裕的，因为构件受拉杆的作用后已成为偏心受压构件。因此，在大多数情况下所求出的Aγ值，在最终计算之后，甚至可以减少一些。
(4)估算求出提高拉杆效率所必需的预施拉力值梁桥上部结构加固与改造N预。图2-12T型梁补强拉杆截面计算图式。
图2-12 T型梁补强拉杆截面计算图示
(5)用补强后增大的荷载及内力复核已加强的构件。
2．加固实列
某桥为装配式钢筋混凝土T型梁桥，梁长14.06m，桥面宽9m，原设计标准为汽一18、拖一80。现因通过重车，需要提高至挂一300平板车载重150t级重物的荷载等级。
根据验算，确定提高荷载等级后承载不足，必须予以加固，加固时采用了下撑式预应力拉杆的加固方法，拉杆用螺栓端杆纵向电热张拉。在梁的两侧安设¢25m冷拉Ⅳ级水平钢筋，斜筋部分采用14号槽钢。斜筋和水平筋的连接部位则焊接一个钢箱进行转折过渡，并在第一内横梁上设置钢承托，如图2-13所示。该桥加固后进行的荷载试验表明情况正常。通过150t级载重货车后结构并无异常现象。
图2-13 横梁上设置钢承托
第五节 增加辅助构件加固方法与技术
一、增设纵梁加固法
在墩台地基安全性能好，并具有足够承载能力的情况下，可采用增设承载能力高和刚度大的新纵梁，这些新梁与旧梁相连接，共同受力。由于荷载在新增主梁后的桥梁结构中重新分布，使原有梁中所受荷载得以减少，由此使加固后的桥梁承载能力和刚度得到提高。当增设的纵梁位于主梁的一侧或两侧时，则兼有加宽的作用。
旧桥主梁中间增设纵梁时，可拆除个别主梁或两相邻主梁之间的翼板，从而形成空位，然后再在空位上安装承载能力和刚度都比原有主梁大的新纵梁，如图2-14所示。
图2-14 钢筋混凝土T梁桥增设纵梁的加固形式
a)原桥上部构造； b)拆除个别主梁安装新纵梁后的构造； c)拆除相邻主梁翼板安装新纵梁后的构造
为保证新旧主梁能够共同工作，普遍感到困难的是使新旧混凝土得以连接。因此，必须注意做好新旧梁之间的横向联结。横向联结的做法很多，有企口铰接、键槽联结、焊接和钢板铰接等。
对装配式板梁，可采用企口铰接、键槽联结的形式，而常用的是梁跨中部分采用企口铰接，而在较薄弱的梁端需采用数道键槽联结，如图2-15所示。
图6-15新旧装配式钢筋混凝土板梁的联结形式
a)企口连接；b)槽口连接
原桥为装配式T梁时，可采用沿梁跨设置数道键槽的方法，使新纵梁与原有主梁的翼板联结成一体。这种键槽联结能承受接头处的剪切应力和局部承压力。为实现这种键槽联结，施工时必须在原梁翼板上每隔一小段距离凿一个正方形或圆形孔洞，安装后正好互相吻合对齐。键槽的构造如图2-15a)所示，或刚性型钢筋如图2—15b)所示。在设置好锚固钢筋和防收缩钢筋网之后，在对齐的孔洞中和装配式钢筋混凝土梁的接缝中浇筑细石水泥混凝土使之成为整体。
二、梁式桥上部结构拓宽改建
为了提高桥梁的通航能力，适应路线拓宽改建的要求，必须把宽度较窄的桥梁加以拓宽改建，梁式桥上部结构拓宽改建，有单边拓宽和两边对称拓宽两种形式。
1. 单边拓宽改建法
当原有公路路线是以单边拓宽进行改建时，相应地对旧桥也可采用单边拓宽的形式予以改建。单边拓宽的做法是，平行于原桥另建一座新的桥跨结构，如图2-16所示。
图2-16 单边拓宽钢筋混凝土梁式桥的实例
2．双边对称拓宽改建法
为了与旧有路线双边对称拓宽的方案相适应，许多旧桥也应采用双边对称拓宽的改建方案。双边拓宽的形式，主要有增设独立边梁作为人行道，以及增设大边梁来拓宽旧桥桥面和提高旧桥承载能力等。
3．拓宽实例
广西武鸣县宁武桥：为4孔一22m预制装配式T型梁桥，原设计荷载为汽一13、拖一60，1966年建成。为了满足大化电站建设需要，能够通行201t大型拖车，1981年采用增加纵梁的方法对该桥进行了加固补强。鉴于大型拖车靠中间行驶，只在桥中线两侧各现浇一片新梁，把原桥的纵梁由7梁式变为9梁式。施工步骤如下：
（1）首先掀开桥面铺装，将设计需要增建的新主梁处的旧梁的翼板凿除，切断横隔梁；
(2)利用原桥悬挂脚手架，支立模型板；
(3)安装钢筋骨架，安好支座；
(4)浇筑混凝土，待混凝土强度达到75％时，再卸架拆除模板；
(5)焊接新旧混凝土横隔梁连接部位的钢板，并浇筑横隔梁底部的扩大截面和接缝处的混凝土；
(6)焊接上翼板处的钢筋和绑扎好桥面的钢筋，并及时浇筑上翼板和桥面的混凝土。
同时，为了加强全桥的横向刚度，还应该在横隔梁的两侧各增设一根￠32mm的钢筋，让其横穿全桥。并且在横隔梁部位也应增加2根￠25mm的钢筋，以加强横隔梁部位刚度。
加固后的试验证明：桥梁由于增设了纵梁，性能和承载能力均得到了较大的改善，与原桥比较整体刚度较大，横向分布性能好，达到了通行201t大型拖车设计荷载的要求，取得了较好的经济效益。
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