淺談?lì)A(yù)應(yīng)力鋼絲繩抗彎加固混凝土橋梁新技術(shù)
關(guān)鍵詞:混凝土,梁,加固,預(yù)應(yīng)力,鋼絲繩
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通運(yùn)輸量迅速增長,道路上的行車密度和車輛軸重不斷加大,公路橋梁負(fù)荷日趨加重,加之舊橋部分構(gòu)件老化、破損或受原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的限制,已不能適應(yīng)現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)囊螅瑯蛄盒柽M(jìn)行加固處理。
對于混凝土橋梁的抗彎加固,目前常用的方法有增大截面加固、粘貼鋼板加固、粘貼纖維復(fù)合材料加固、體外預(yù)應(yīng)力加固等。這些加固方法各有優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也有不足之處。加大截面加固能有效提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力,但施工周期長,增加結(jié)構(gòu)自重,減小橋下使用空間;粘貼鋼板加固對結(jié)構(gòu)剛度提高明顯,但由于鋼板容易腐蝕耐久性較差,且由于使用結(jié)構(gòu)膠往往發(fā)生粘結(jié)破壞,對承載力提高有限;粘貼纖維復(fù)合材料加固,纖維材料由于自重輕,抗拉強(qiáng)度高,抗腐蝕能力強(qiáng),提高最大承載力明顯,但對剛度提高不大,且由于使用結(jié)構(gòu)膠容易發(fā)生粘結(jié)破壞;體外預(yù)應(yīng)力加固對剛度和承載能力提高明顯,但錨固端受力很大不容易控制,且施工麻煩,加固成本較高。
利用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩對橋梁進(jìn)行抗彎加固,有效地克服了上述諸多加固方法的缺點(diǎn),基本上不增加結(jié)構(gòu)自重,不減少橋下使用空間,并能顯著提高結(jié)構(gòu)的剛度和最大承載力,使加固材料能夠充分發(fā)揮作用,并且不發(fā)生粘結(jié)破壞,施工方便,成本不高,是一種較好的抗彎加固方法。
1工程概況
濟(jì)南市繞城高速公路北段西起京福高速公路大楊莊互通式立交,東至濟(jì)青高速公路零點(diǎn)立交,全長16.9公里。北高架橋位于繞城高速北段,全長7.55公里。橋梁設(shè)計(jì)為雙向四車道,單幅橋面凈寬為11m,兩側(cè)各0.5m防撞護(hù)欄。
橋上部結(jié)構(gòu)的主要形式有鋼筋混凝土連續(xù)板、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)板、鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土等截面連續(xù)剛構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋等。
2007年在對北高架橋的檢測中,發(fā)現(xiàn)該橋存在較多病害,上部結(jié)構(gòu)梁底出現(xiàn)了較多裂縫。經(jīng)山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院、山東高速檢測咨詢中心等有關(guān)部門現(xiàn)場查看,確定對于上行車道第29孔25m等截面連續(xù)剛構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩進(jìn)行主動加固,提高其抗彎承載力。
2預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩加固混凝土梁的原理
用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩加固混凝土梁,是在需要提高抗彎承載力的梁底部外側(cè),沿梁跨度方向布置一排或多排施加了預(yù)拉力的鋼絲繩,以此來抵消部分外荷載在梁上產(chǎn)生的彎矩影響。
預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩與體外預(yù)應(yīng)力都屬主動加固方式,但前者比后者具有更多優(yōu)勢:
2.1鋼絲繩在梁底分散布置,不會在錨固區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中;
2.2鋼絲繩張拉完成后在梁底涂抹防護(hù)砂漿,可以保護(hù)鋼絲繩不受損傷;
2.3單根預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的拉力較小,張拉時(shí)不需要大型設(shè)備,施工更方便。
3預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固材料特點(diǎn)
預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩加固對鋼絲繩材料、錨頭、錨具以及砂漿都有著特殊的要求。
鋼絲繩應(yīng)選用高強(qiáng)度、低松弛、高延性的鋼絲繩,其直徑不宜太大,以便于張拉和錨固,直徑根據(jù)所需施加的總預(yù)應(yīng)力和鋼絲繩根數(shù)共同確定,本工程中鋼絲繩直徑為4.5mm。
選用鋁合金套筒制作擠壓錨頭,把鋼絲繩端部折成雙股后穿入套筒中,然后后用特別設(shè)計(jì)的擠壓器進(jìn)行擠壓,使鋁合金套筒與鋼絲繩成為一整體,構(gòu)成擠壓錨頭。
錨具為在一定厚度的鋼板上開槽,把鋼絲繩從槽口嵌入,擠壓錨頭卡在錨具側(cè)面將鋼絲繩錨住。
端部錨固砂漿采用環(huán)氧砂漿,強(qiáng)度高、硬化快;底部防護(hù)砂漿采用聚合物砂漿,應(yīng)具有較好的延性,不易出現(xiàn)橫向裂縫。
4預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩加固設(shè)計(jì)計(jì)算方法
預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩加固梁體可按《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中體外預(yù)應(yīng)力加固的方法進(jìn)行計(jì)算。
4.1評估抗彎加固前梁體的極限承載力
《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》中相關(guān)公式
式中,——橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù),按公路橋涵的設(shè)計(jì)安全等級,一級、二級、三級分別取用1.1、1.0、0.9。
根據(jù)以上兩式以及橋梁結(jié)構(gòu)的截面特性計(jì)算出梁體的抗彎承載力Md。
4.2計(jì)算結(jié)構(gòu)當(dāng)前承受的實(shí)際荷載
由橋上相應(yīng)構(gòu)件的材料容重及截面特性可計(jì)算其承受的恒載彎矩大小。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算各片梁橫向分布系數(shù),由梁體的受力影響線求得汽車荷載在兩種產(chǎn)生的最大活載彎矩。按規(guī)范中“1.2恒載+1.4活載”進(jìn)行荷載組合,可得到當(dāng)前結(jié)構(gòu)所受最大彎矩設(shè)計(jì)值M0。
4.3計(jì)算需提高的抗彎承載力
若計(jì)算的極限抗彎承載力Md比荷載在跨中產(chǎn)生的最大彎矩M0小,則說明結(jié)構(gòu)承載能力不足,需要進(jìn)行抗彎加固,兩者差值即為需要提高的抗彎承載力,ΔM=M0-Md
4.4計(jì)算需要的預(yù)應(yīng)力鋼絲繩數(shù)量
在梁底增加預(yù)應(yīng)力鋼絲繩將使混凝土受壓區(qū)高度增加,高度增加部分(Δx)混凝土對底部既有縱向受拉鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的合力點(diǎn)的彎矩即為提高的抗彎承載力。
4.5端部錨具設(shè)計(jì)
端部錨具尺寸根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩所受的拉力計(jì)算確定,扣除鋼絲繩孔道后的凈截面積須能滿足鋼絲繩所受拉力,根據(jù)梁底寬度和所需預(yù)應(yīng)力鋼絲繩根數(shù),確定鋼絲繩的布置層數(shù),進(jìn)而確定錨具的截面尺寸。
5預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固梁體施工工藝
預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩抗彎加固必須將鋼絲繩可靠地錨固于梁底,使鋼絲繩的拉力能夠傳遞到待加固混凝土梁上,有效提高混凝土梁的抗彎承載力,施工方法和工藝如下所述:
5.1端部錨具的制作
端部錨具由鋼絲繩根數(shù)和其承擔(dān)的拉力荷載專門設(shè)計(jì)。為確保預(yù)應(yīng)力鋼絲繩張拉與錨固的方便,其外側(cè)為開口形式,開口寬度比鋼絲繩直徑寬0.5mm,開口深度以能將鋼絲繩有效錨固為宜。錨具的厚度考慮焊接的需要,寬度由鋼絲繩的受拉力所需強(qiáng)度確定,長度根據(jù)梁底寬度確定。本工程中錨具槽口寬度為5mm,深度為10mm,單個(gè)錨具長度為74cm,寬度為5cm。錨具制作完成后將其焊在寬度較大的鋼板上。
5.2端部錨座的固定
按照設(shè)計(jì)要求,對梁端底板進(jìn)行量測、放線,確定設(shè)置端部錨具的中心線位置。在梁底安裝端部錨座的中心線位置沿跨度方向刻槽,刻槽深度以能將錨具的錨固鋼板嵌入為宜,以使鋼絲繩與梁底盡量密貼。將刻槽位置打磨成粗糙的平面,并鉆孔植入全螺紋螺桿。打磨錨固鋼板的粘貼結(jié)合面,在鋼板結(jié)合面及處理好的混凝土表面上涂抹粘鋼膠,將鋼板粘貼在預(yù)定位置,立即緊固螺母將鋼板固定。待結(jié)構(gòu)膠達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度鋼板粘貼牢固后,即可進(jìn)行下一道工序。
5.3預(yù)應(yīng)力鋼絲繩下料與擠壓錨頭的制作
預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的下料長度要求極為嚴(yán)格,根據(jù)兩端端部錨具的間距及預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的工作應(yīng)力計(jì)算確定。梁底錨座安裝好后,用一根同規(guī)格的鋼絲繩作為基準(zhǔn)鋼絲,根據(jù)基準(zhǔn)鋼絲的張拉控制應(yīng)力與現(xiàn)場測量的實(shí)際引伸量的關(guān)系,精確確定鋼絲繩的無應(yīng)力下料長度。鋼絲繩下料是應(yīng)在拉緊但無應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行,下料長度應(yīng)控制在±3mm以內(nèi)。
擠壓錨頭為鋁合金雙孔套筒式,鋼絲繩在端部折成雙股后穿入擠壓錨頭內(nèi)孔,由專門設(shè)計(jì)的擠壓模具、擠壓機(jī)械對擠壓錨頭進(jìn)行強(qiáng)力擠壓,使擠壓錨頭與鋼絲繩擠壓成一體。
5.4預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的張拉與錨固
預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的一端可直接穿入端部錨具的開口,另一端通過張拉器進(jìn)行張拉。張拉長度滿足兩端的端部錨具間距時(shí),將預(yù)應(yīng)力鋼絲繩從端部錨具的開口嵌入,對擠壓錨頭進(jìn)行錨固。張拉時(shí)采用對稱的原則,從中間向兩側(cè)對稱進(jìn)行,以防結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、側(cè)彎,一側(cè)與另一側(cè)的鋼絲繩數(shù)量之差不超過3根。
鋼絲繩張拉過程中要密切注意每根鋼絲繩的張拉應(yīng)力大小,拉應(yīng)力過大或過小都是不符合要求的。若張拉的鋼絲繩應(yīng)力超過設(shè)計(jì)控制張拉力很多才能錨固,則該鋼絲繩的下料長度過短,不符合要求;若鋼絲繩張拉應(yīng)力還沒有達(dá)到設(shè)計(jì)控制張拉力就可嵌入錨具凹槽內(nèi),則該鋼絲繩下料長度過長,可加錨具外端加墊片進(jìn)行調(diào)整。
5.5澆筑端部錨固砂漿和底部防護(hù)砂漿
端部錨固砂漿采用高性能環(huán)氧砂漿,強(qiáng)度高、硬化快;底部防護(hù)砂漿采用聚合物砂漿,具有較好的延性,不易出現(xiàn)橫向裂縫。在鋼絲繩全部張拉完畢并可靠錨固后,在端部錨具處涂抹錨固砂漿,在錨具之間的鋼絲繩位置梁底涂抹防護(hù)砂漿,將鋼絲繩及錨具覆蓋。砂漿涂抹完成后,在其表面涂刷一層與梁體顏色相近的涂料,以達(dá)到美觀效果。
6結(jié)束語
6.1預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固梁體,克服了諸多抗彎加固方法的不足,并能有效提高結(jié)構(gòu)的剛度和抗彎承載力,是一種相對較好的加固方法,具有很好的應(yīng)用前景。
6.2由于鋼絲繩擠壓錨頭是在張拉施工前就制作好的,對其施加的預(yù)應(yīng)力靠鋼絲繩的伸長量控制,并且每根鋼絲繩的彈性模量不一定完全相同,即使其下料長度完全相同,還可能會使最終施加的預(yù)應(yīng)力與設(shè)計(jì)值存在偏差,若能將張拉端的錨頭和錨具進(jìn)行改進(jìn),將使得這種方法更加完美。