體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁工程應(yīng)用探討
2016-03-23
近年來，隨著各種重型車輛的不斷出現(xiàn)，公路橋梁負(fù)荷日趨加重，而且舊橋部分老化、破損，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)囊?。因此，對橋梁結(jié)構(gòu)的維修、加固和補(bǔ)強(qiáng)的研究及應(yīng)用，是目前和今后面臨的主要任務(wù)。
1體外預(yù)應(yīng)力加固法的特點(diǎn)
1.1 體外預(yù)應(yīng)力加固的優(yōu)點(diǎn)
體外預(yù)應(yīng)力是后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的分支之一。將預(yù)應(yīng)力鋼筋布置于混凝土截面之外的技術(shù)己在工程中得到了應(yīng)用，并成為加固既有橋梁的有效方法之一。采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固橋梁結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)：①預(yù)應(yīng)力布置簡單，可以調(diào)整，簡化了后張的操作程序。所需設(shè)備、人員少，施工周期短，經(jīng)濟(jì)效益好；②對橋上交通影響小，可不中斷交道或短時(shí)間限制交通；③增加恒重不多，可以能動(dòng)地調(diào)節(jié)原結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到有效加固的目的；④維護(hù)修補(bǔ)方便，可以隨時(shí)更換預(yù)應(yīng)力筋；⑤對橋梁損傷小，可做到不影響橋下凈室不抬高路面標(biāo)高；⑥能夠較大幅度地提高舊橋的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度，能夠有效的控制原結(jié)構(gòu)的裂縫和撓度，使裂縫部分或全部閉合，使撓度大幅度減小。
1.2體外預(yù)應(yīng)力加固的缺點(diǎn)
但體外預(yù)應(yīng)力加固也有如下缺點(diǎn):①體外預(yù)應(yīng)力索容易受到意外的破壞。②體外預(yù)應(yīng)力索不能參與局部裂縫的控制。③由于轉(zhuǎn)向裝置和錨固點(diǎn)受到約束，行車時(shí)容易引起體外索的振動(dòng)，預(yù)應(yīng)力索的自由長度受到限制。④從力學(xué)特性上來講體外預(yù)應(yīng)力索與周圍結(jié)構(gòu)主體在同一截面上的變形是不協(xié)調(diào)的。
2體外預(yù)應(yīng)力加固原理
體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋布置在主體結(jié)構(gòu)之外，固體外預(yù)應(yīng)力索通常為由多根鋼絞線組合成的集中鋼索，故稱為體外預(yù)應(yīng)力索。體外預(yù)應(yīng)力加固通常采用粗鋼筋鋼絞線、高強(qiáng)鋼絲等材料作為施力工具。在體外對橋梁上部結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，以預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反彎矩部分抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，起到卸載的作用，從而較大提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。對于鋼筋混凝土橋梁，可考慮采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固，該法具有加固，卸荷改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力的三重功效。體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本組成主要包括：體外預(yù)應(yīng)力索、管道和灌漿材料，體外預(yù)應(yīng)力索的錨固系統(tǒng)，體外預(yù)應(yīng)力索的轉(zhuǎn)向裝置
3體外預(yù)應(yīng)力加固施工要點(diǎn)
3.1放樣定位
3.1.1滑塊墊板及錨固支座位置的放樣定位
沿梁底從錨固實(shí)際中心(投影點(diǎn))向跨中方向量取滑塊墊板的中心位置及跨中位置，分別標(biāo)記在梁底的兩側(cè)，并將墊板的平面尺寸繪在梁底面上，標(biāo)出有關(guān)螺栓的孔位，在墊板放樣中可以不計(jì)梁的撓度影響。
3.1.2上錨固點(diǎn)的放樣定位
?。?）斜筋上錨固點(diǎn)位于梁頂或梁端面時(shí)，以單梁頂(端)面的縱軸線為基準(zhǔn)，沿縱橋向測量錨固點(diǎn)距梁端的距離；（2）錨固點(diǎn)位于梁端時(shí)，應(yīng)量取錨固點(diǎn)距梁底或梁頂面的垂直距離，再沿橫橋向?qū)ΨQ量取上錨固點(diǎn)的橫向距離，標(biāo)出錨固點(diǎn)的理論位置。由于梁的頂板和腹板中均有鋼筋存在，特別是受力鋼筋，在進(jìn)行錨固點(diǎn)放樣時(shí)，可將錨固點(diǎn)位置適當(dāng)調(diào)整以避開這些鋼筋，切記不應(yīng)將其切斷。
3.2上錨固點(diǎn)設(shè)置
當(dāng)上錨固點(diǎn)設(shè)在梁頂及梁端頂面時(shí)，需要按設(shè)計(jì)的斜筋穿出位置，在橋面板或梁頂面鑿穿二個(gè)具有與斜筋角度相同的斜孔。首先把橋面鋪裝層鑿去，將梁頂面混凝土保護(hù)層鑿去，露出鋼筋，再將錨固墊板處的混凝土進(jìn)行細(xì)鑿。按斜孔的設(shè)計(jì)角度做一個(gè)鑿孔架，將鑿巖機(jī)的鉆桿放入鑿孔架的槽內(nèi)，使鉆頭中心對準(zhǔn)理論錨固點(diǎn)，然后再進(jìn)行鑿孔，以便鑿好斜孔。上錨固孔鑿?fù)曛螅瑢⒘喉斆婊炷燎謇砀蓛?，除去混凝土碎渣。然后，在開鑿后的混凝土表面涂一層環(huán)氧膠液，再用環(huán)氧水泥砂漿鋪平。最后將上錨固設(shè)在梁頂時(shí)，應(yīng)保證錨墊板的上表面與梁頂面平齊，或略低一點(diǎn)，以確保錨固點(diǎn)上有盡可能厚的混凝土保護(hù)層。
3.3轉(zhuǎn)向裝置
轉(zhuǎn)向裝置是實(shí)現(xiàn)體外索加固的重要構(gòu)件，其傳載方式和自身性能也是影響預(yù)應(yīng)力施加效果的關(guān)鍵。體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋必須通過轉(zhuǎn)向裝置改變方向，從而形成設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力筋曲線形式。在轉(zhuǎn)向裝置與預(yù)應(yīng)力筋的接觸區(qū)域，由于摩擦和橫向力的擠壓作用。如果轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)不合理或構(gòu)造措施不當(dāng)，預(yù)應(yīng)力鋼材容易產(chǎn)生局部硬化和摩阻損失過大。轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)要求預(yù)應(yīng)力筋在折角點(diǎn)的位置必須高度準(zhǔn)確，避免產(chǎn)生附加應(yīng)力，轉(zhuǎn)向裝置在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)也不應(yīng)對預(yù)應(yīng)力鋼材有任何損害。另外，轉(zhuǎn)向裝置的加工應(yīng)在加工廠進(jìn)行，嚴(yán)禁在現(xiàn)場加工，現(xiàn)場安裝中，要嚴(yán)格按圖紙進(jìn)行，在運(yùn)輸及焊接過程中，應(yīng)采取措施防止焊接變形，穿束前應(yīng)拉線確定安裝是否合適。
3.4預(yù)應(yīng)力筋的安裝和張拉
在安裝預(yù)應(yīng)力筋前，首先要檢查各種錨具是否能正常工作，特別是粗鋼筋的螺桿和螺母的匹配情況，逐個(gè)試擰，均應(yīng)達(dá)到每個(gè)絲頭在不加力的情況下，以手?jǐn)Q動(dòng)就可將螺母擰至全程。
對于水平筋和斜筋分別采用兩根粗鋼筋或斜桿為型鋼的情況，首先將斜筋與水平滑塊固定在一起，并將斜筋的上錨固點(diǎn)固定。用臨時(shí)支架將滑塊定位在其墊板的位置上，然后再穿入水平筋。穿筋時(shí)應(yīng)保證水平筋的兩端均有相等的絲頭長度，檢查滑塊位置并預(yù)留滑移量。為了防止在張拉錨固時(shí)擰緊螺母困難，上緊兩水平筋的螺母，同時(shí)應(yīng)保證水平筋的中心與滑塊錨孔的對中。
而橫向收緊水平筋產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的體系，則首先按斜筋的斜度要求將斜桿焊接再梁端的U型錨固板上，采用夾桿焊將水平筋焊再斜筋上。每隔2～2.5m用木塊將水平拉桿墊起，然后安裝鎖緊裝置，以減少垂度。以備張拉，先安放彎起點(diǎn)處的立柱，再按設(shè)計(jì)位置安裝撐棍和收緊器。
就張拉位置而言，體外預(yù)應(yīng)力筋的張拉方法可分為沿斜筋方向在梁頂張拉和沿水平筋方向在梁底張拉。一般來說，由于張拉設(shè)備及操作人員的限制不可能所有的梁同時(shí)張拉，但對于同一根梁的兩側(cè)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)盡量做到同步張拉，以保證梁兩側(cè)的鋼筋具有相等或相近的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。
3.5壓漿
張拉完成后局部有粘結(jié)段的壓漿工作是一道很重要的工序，首先施工前要進(jìn)行1：l的模型試驗(yàn)，在保證壓漿密實(shí)飽滿的情況下，局部有粘結(jié)段的粘結(jié)力可達(dá)到設(shè)計(jì)張拉力的108％。工程中，壓漿施工在張拉完成后24h內(nèi)進(jìn)行，以滿足錨固要求。壓漿采用手動(dòng)壓漿機(jī)，保證壓漿過程的均勻穩(wěn)定和壓漿壓力的要求。另外，壓漿密實(shí)程度將直接影響粘結(jié)效果，所以在壓漿中應(yīng)嚴(yán)格控制水灰比，并保持壓力均勻。
4工程實(shí)例
4.1工程概況
某高速公路(86+160+86)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，大橋左右線獨(dú)立設(shè)置，采用單箱單室直腹板箱型截面全橋立面及斷面形式。
4.2體外預(yù)應(yīng)力加固措施
本橋的總體縱向加固手段為體外預(yù)應(yīng)力加固法，用于提高主梁結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力度，補(bǔ)償已損失的縱向預(yù)應(yīng)力。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每幅橋共新增布置26束體外索，體外索分為三種類型：通長索N1(單幅4束、單根工作長度約333m)、中跨索N2(單幅6束、單根工作長度約l80m)和支點(diǎn)短索N3(單幅每支點(diǎn)各8束、單根工作長度36m)。體外索相對與梁體兩側(cè)和兩端均對稱布置，施工時(shí)每次張拉對稱的一對鋼束，鋼絞線在兩端同步張拉。支點(diǎn)短索采用12-7φ5鋼絞線，通長索和中跨索采用31-7φ5鋼絞線。
體外預(yù)應(yīng)力拉索采用FECS15．2SP型環(huán)氧涂層填充型鋼絞線。公稱面積140mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa，彈性模量為1.9×105MPa，錨下張拉控制應(yīng)力為0．55by。
體外索布置在箱內(nèi)，張拉完成后成空間曲線，經(jīng)轉(zhuǎn)向器(分絲／整體)和預(yù)埋鋼管穿過轉(zhuǎn)向架，達(dá)到轉(zhuǎn)向和傳力的目的，通過錨固塊錨固。為方便與原結(jié)構(gòu)的連接，所有錨固裝置和轉(zhuǎn)向裝置均采用混凝土結(jié)構(gòu)。為防止橋面行車引起鋼束過大震動(dòng)，沿體外索縱向每隔8m左右設(shè)置一道防振限位裝置。
體外索錨具采用FSM．TWC15-31型(帶承壓筒、防松裝置、錨板、調(diào)節(jié)螺母、密封裝置、密封筒組件)、FSM．TWB15-3l型(帶保護(hù)罩組件、防松裝置、錨板、密封裝置)、FSM．TWBI5-12型(帶保護(hù)罩組件、防松裝置、錨板、密封裝置)錨具，夾片為FSM-W15型。滿足分級(jí)、補(bǔ)張拉和放松拉力等張拉工藝要求，同時(shí)可以整束調(diào)索、換索，并且具有良好的自錨性能、松錨性能和安全的重復(fù)使用性能。
4.3施工工藝流程
索道清理及穿索準(zhǔn)備→鋼絞線下料→穿布鋼絞線→安裝錨具、夾片→鋼絞線牽引(初張拉) →對稱張拉鋼絞線→多余鋼絞線切除→安裝防松壓板及索夾→錨頭灌注環(huán)氧砂漿→安裝保護(hù)罩并灌注防腐油脂→安裝防振限位裝置。
結(jié)束語
總之，相對與其他常規(guī)的橋梁加固措施，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是一種靈活的主動(dòng)加固技術(shù)，可以主動(dòng)改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，大幅度改善結(jié)構(gòu)的安全性能，有著一定的推廣價(jià)值。
