第四節(jié) 體外預(yù)應(yīng)力加固方法與技術(shù)
一、預(yù)應(yīng)力加固法基本概念
預(yù)應(yīng)力加固是指運(yùn)用預(yù)應(yīng)力原理，在增設(shè)構(gòu)件(以下簡稱“加固件”)或原有構(gòu)件(如主梁梁體)中，施加了一定初始應(yīng)力(即預(yù)應(yīng)力)的一種加固方法。
對于鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土梁板，采用對受拉區(qū)施以預(yù)加壓力的加固方法，可以抵消部分自重應(yīng)力，起到卸載作用，從而能較大幅度地提高梁的承載能力。
用預(yù)應(yīng)力方法加固橋梁結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮的主要問題有：施加預(yù)應(yīng)力方式方法；預(yù)應(yīng)力損失的估計(jì)和減少預(yù)應(yīng)力損失的措施；以及預(yù)應(yīng)力加固的計(jì)算等。
1. 施加預(yù)應(yīng)力常用方法
用預(yù)應(yīng)力法加固鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土梁板，其加固件一般采用鋼桿、粗鋼筋或鋼絲索等鋼材，施加預(yù)應(yīng)力的方法有縱向張拉法、橫向張拉法和張拉鋼絲束等?？v向張拉法在施加的預(yù)應(yīng)力數(shù)值較小時可采用螺栓、絲桿、花籃螺絲等簡易拉緊器進(jìn)行張拉。在施加的預(yù)應(yīng)力較大時，可采用手拉葫蘆、千斤頂張拉或電熱法張拉。橫向張拉法基本原理是在鋼拉桿中部施加較小的橫向外力，從而可在鋼拉桿內(nèi)獲得較大的縱向內(nèi)力。由于橫向張拉外力一般并不很大，采用螺栓、絲桿、花籃螺絲等簡易工具即可。鋼絲束通常通過錨具用千斤頂進(jìn)行張拉，如果張拉要求不高，可以采用撬棍等工具絞緊鋼絲繩束亦可產(chǎn)生預(yù)拉應(yīng)力。
2. 預(yù)應(yīng)力損失估計(jì)和減少預(yù)應(yīng)力損失的措施
預(yù)應(yīng)力損失是影響到預(yù)應(yīng)力加固的適用范圍和加固后工作狀態(tài)的重要問題。預(yù)應(yīng)力損失由加固件本身和承受加固件作用的結(jié)構(gòu)兩方面的變形而產(chǎn)生，主要的具體因素有：
(1)基礎(chǔ)徐變和地基沉降；
(2)被加固構(gòu)件收縮和其他變形；
(3)加固件本身徐變；
(4)加固件節(jié)點(diǎn)和傳力構(gòu)造變形；
(5)溫度應(yīng)變。
在預(yù)應(yīng)力加固件使用過程中，由于基礎(chǔ)沉降，溫度應(yīng)變，新澆混凝土徐變等具體原因?qū)a(chǎn)生較大預(yù)應(yīng)力損失，這時，為減少預(yù)應(yīng)力損失以保證加固效果，必須在加固過程中，預(yù)留構(gòu)造措施，以便在使用過程及時調(diào)整加固件的工作應(yīng)力數(shù)值。
3.預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)計(jì)算
預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)首先繪制加固前后結(jié)構(gòu)受力圖形，分析內(nèi)力的變化。加固件中工作應(yīng)力數(shù)值應(yīng)滿足原有結(jié)構(gòu)加固的需要。加固件中施加的預(yù)應(yīng)力數(shù)值應(yīng)為工作應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失數(shù)值之和。預(yù)應(yīng)力損失值在具備一定經(jīng)驗(yàn)和資料時可由計(jì)算確定，在經(jīng)驗(yàn)和資料尚不充分時宜在加固前用實(shí)驗(yàn)測定。
預(yù)應(yīng)力加固法具有許多優(yōu)點(diǎn)，如加固效果好工作可靠，可以減少或限制結(jié)構(gòu)的裂縫和其他變形；對橋梁營運(yùn)使用的影響較小，可在不限制通行的條件下完成加固施工；在人力，物力和資金消耗方面也具有明顯的經(jīng)濟(jì)合理性。因此，預(yù)應(yīng)力加固法既可作為橋梁通過重車的臨時加固手段，又可作為永久性提高橋梁荷載等級的措施。
二、預(yù)應(yīng)力拉桿加固鋼筋混凝土梁板
鋼筋混凝土梁板是受彎或以受彎為主的橫向受力構(gòu)件。其預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)加固一般采用預(yù)應(yīng)力拉桿，常用的拉桿體系有三種：水平預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿、下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿以及組合式預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿。各種拉桿體系的結(jié)構(gòu)和加固原理分述如下：
1. 水平預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿加固法
對于鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土的T梁或工字梁橋，可采用在梁斷面的受拉力，即在梁底下加設(shè)預(yù)應(yīng)力水平拉桿的簡易補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行加固，加固結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。
從圖2-7中可以看到，當(dāng)拉桿安裝并通過緊銷鋼栓實(shí)施橫向拉力后，鋼拉桿內(nèi)將產(chǎn)生較大縱向拉力，于是，梁受拉區(qū)就受到拉桿頂壓應(yīng)力的作用，梁中受拉應(yīng)力也就相應(yīng)減少。
從加固原理上看，這種補(bǔ)強(qiáng)加固法可提高梁構(gòu)件正截面抗彎承載能力，但不能提高支座附近斜截面抗剪承載能力。
圖2-7 水平預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)加固法
2. 下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿加固法
將水平補(bǔ)強(qiáng)拉桿在接近支座處向上彎起，錨固于梁板支座的上部，彎起點(diǎn)處增設(shè)傳力構(gòu)造，再施加預(yù)拉應(yīng)力。這種加固裝置即為下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿的加固方法。
在橋下凈空許可的條件下，可采用如圖2-8所示的下?lián)问窖a(bǔ)強(qiáng)拉桿加固梁式鋼筋混凝土梁的方法。
圖2-8 下?lián)问降念A(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)加固法
這種加固法的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿用鋼材做成，拉桿彎起點(diǎn)設(shè)立柱，立柱用鋼筋混凝土或混凝土做成。立柱一般設(shè)在l／4跨徑的地方，以使預(yù)應(yīng)力加固的斜拉桿與水平線的角度為30o-50o 。
預(yù)應(yīng)力加固件的斜拉桿，裝在被加固的梁腹板左右兩側(cè)支座上方的兩端。在鋼筋混凝土梁上鑿開一個安裝墊座的位置，割去一部分梁的鋼筋箍和豎鋼箍，將用角鋼或槽鋼做成的支承墊座安放在鑿好的洞內(nèi)，并與斜拉桿成垂直角。斜拉桿的一端插入支承墊座內(nèi)用螺帽扣緊，另一端在立柱下面用一對節(jié)點(diǎn)板和水平拉桿結(jié)合。裝好之后，用花籃螺絲把加勁的水平拉桿擰緊。為減少對橋下凈空的影響，預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿也可布置在主梁腹部的兩側(cè)(中性軸以下)，如圖2-9所示，a)、b)為兩種不同的布置形式。
圖2-9預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿
為使補(bǔ)強(qiáng)拉桿錨固于梁腹板，形成整體，錨固的方法有很多種，如圖2-10所示，a)為夾具錨固的情況；b)為用鋼板套箍錨固的情況。
圖2-10補(bǔ)強(qiáng)拉桿錨固于梁腹板
由于下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿布置較為合理，拉桿中施加預(yù)應(yīng)力后，通過拉桿彎起點(diǎn)的支托構(gòu)件傳力，與梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力，起到卸載的作用。這種加固方法的優(yōu)點(diǎn)是可對受彎構(gòu)件垂直截面上的抗彎強(qiáng)度和斜截面上的抗剪強(qiáng)度同時起到補(bǔ)強(qiáng)作用。此法加固效果顯著，可將原結(jié)構(gòu)的承載能力增大一倍。
3.組合式預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿加固法
既布置水平補(bǔ)強(qiáng)拉桿，又布置有下?lián)问窖a(bǔ)強(qiáng)拉桿，這種加固方式稱為組合式預(yù)應(yīng)力加固方法，如圖2-11所示。
圖2-11 組合式預(yù)應(yīng)力加固方法
組合式預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿的加固方法，既具有下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿，同時提高抗彎、抗剪強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，又可在必要時將通常安設(shè)的兩根拉桿增加到四根(兩根水平拉桿)，從而可更大幅度地提高承載能力。
上述三種預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿加固法的采用，可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。從補(bǔ)強(qiáng)的內(nèi)力種類來看，當(dāng)梁板跨中受彎強(qiáng)度不足，而斜截面上抗剪強(qiáng)度足夠時，可采用水平預(yù)應(yīng)力拉桿及其他兩種拉桿。當(dāng)梁板支座附近斜截面抗剪強(qiáng)度不足時，則采用下?lián)问胶徒M合式預(yù)應(yīng)力拉桿。從要求補(bǔ)強(qiáng)加固后承載力能提高較大時，宜采用組合式補(bǔ)強(qiáng)拉桿。此外，三種拉桿的選擇均須考慮施工的方便與可能。
三、預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)加固設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)列
1．預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)加固的設(shè)計(jì)步驟
采用預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿加固橋梁構(gòu)件，應(yīng)事先進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)計(jì)算。由于加固后預(yù)應(yīng)力拉桿與鋼筋混泥土梁板構(gòu)件將組成一個整體并共同工作，因此，補(bǔ)強(qiáng)拉桿與被補(bǔ)強(qiáng)梁板組成一個新的復(fù)合體系，這樣就改變了結(jié)構(gòu)原來的靜力圖形，并且提高了承載能力。
預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)加固設(shè)計(jì)計(jì)算步驟和方法如下：
(1)通過計(jì)算，求出被補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件提高荷載等級前所受荷載及其引起的內(nèi)力，其中，包括恒載內(nèi)力和活載內(nèi)力計(jì)算兩項(xiàng)內(nèi)容。方法與通常橋梁設(shè)計(jì)時的內(nèi)力計(jì)算相同，不再贅述。
(2)通過計(jì)算，求出擬提高荷載標(biāo)準(zhǔn)后的活載內(nèi)力，并由恒載與活載的組合驗(yàn)算加固的必要性。
(3)由于上面二項(xiàng)之差，求出內(nèi)力的提高值，即需補(bǔ)強(qiáng)加固的抵抗力矩及剪力等，估算出補(bǔ)強(qiáng)拉桿應(yīng)有的橫截面面積，如圖2-12所示，由ΣM´=0，得M´=Aγ．Rγ(hγ—x´)，即Aγ=M´／Rγ(hγ—x´)
式中：M’為需補(bǔ)強(qiáng)加固的抵抗力矩； Ry對于軟鋼，估算時可采用容許應(yīng)力值；(hγ—x´)為補(bǔ)強(qiáng)鋼筋重心到構(gòu)件中和軸的高度。
用此法估算求得的補(bǔ)強(qiáng)拉桿橫截面面積，通常是很充裕的，因?yàn)闃?gòu)件受拉桿的作用后已成為偏心受壓構(gòu)件。因此，在大多數(shù)情況下所求出的Aγ值，在最終計(jì)算之后，甚至可以減少一些。
(4)估算求出提高拉桿效率所必需的預(yù)施拉力值梁橋上部結(jié)構(gòu)加固與改造N預(yù)。圖2-12T型梁補(bǔ)強(qiáng)拉桿截面計(jì)算圖式。
圖2-12 T型梁補(bǔ)強(qiáng)拉桿截面計(jì)算圖示
(5)用補(bǔ)強(qiáng)后增大的荷載及內(nèi)力復(fù)核已加強(qiáng)的構(gòu)件。
2．加固實(shí)列
某橋?yàn)檠b配式鋼筋混凝土T型梁橋，梁長14.06m，橋面寬9m，原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為汽一18、拖一80?，F(xiàn)因通過重車，需要提高至掛一300平板車載重150t級重物的荷載等級。
根據(jù)驗(yàn)算，確定提高荷載等級后承載不足，必須予以加固，加固時采用了下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力拉桿的加固方法，拉桿用螺栓端桿縱向電熱張拉。在梁的兩側(cè)安設(shè)¢25m冷拉Ⅳ級水平鋼筋，斜筋部分采用14號槽鋼。斜筋和水平筋的連接部位則焊接一個鋼箱進(jìn)行轉(zhuǎn)折過渡，并在第一內(nèi)橫梁上設(shè)置鋼承托，如圖2-13所示。該橋加固后進(jìn)行的荷載試驗(yàn)表明情況正常。通過150t級載重貨車后結(jié)構(gòu)并無異?，F(xiàn)象。
圖2-13 橫梁上設(shè)置鋼承托
第五節(jié) 增加輔助構(gòu)件加固方法與技術(shù)
一、增設(shè)縱梁加固法
在墩臺地基安全性能好，并具有足夠承載能力的情況下，可采用增設(shè)承載能力高和剛度大的新縱梁，這些新梁與舊梁相連接，共同受力。由于荷載在新增主梁后的橋梁結(jié)構(gòu)中重新分布，使原有梁中所受荷載得以減少，由此使加固后的橋梁承載能力和剛度得到提高。當(dāng)增設(shè)的縱梁位于主梁的一側(cè)或兩側(cè)時，則兼有加寬的作用。
舊橋主梁中間增設(shè)縱梁時，可拆除個別主梁或兩相鄰主梁之間的翼板，從而形成空位，然后再在空位上安裝承載能力和剛度都比原有主梁大的新縱梁，如圖2-14所示。
圖2-14 鋼筋混凝土T梁橋增設(shè)縱梁的加固形式
a)原橋上部構(gòu)造； b)拆除個別主梁安裝新縱梁后的構(gòu)造； c)拆除相鄰主梁翼板安裝新縱梁后的構(gòu)造
為保證新舊主梁能夠共同工作，普遍感到困難的是使新舊混凝土得以連接。因此，必須注意做好新舊梁之間的橫向聯(lián)結(jié)。橫向聯(lián)結(jié)的做法很多，有企口鉸接、鍵槽聯(lián)結(jié)、焊接和鋼板鉸接等。
對裝配式板梁，可采用企口鉸接、鍵槽聯(lián)結(jié)的形式，而常用的是梁跨中部分采用企口鉸接，而在較薄弱的梁端需采用數(shù)道鍵槽聯(lián)結(jié)，如圖2-15所示。
圖6-15新舊裝配式鋼筋混凝土板梁的聯(lián)結(jié)形式
a)企口連接；b)槽口連接
原橋?yàn)檠b配式T梁時，可采用沿梁跨設(shè)置數(shù)道鍵槽的方法，使新縱梁與原有主梁的翼板聯(lián)結(jié)成一體。這種鍵槽聯(lián)結(jié)能承受接頭處的剪切應(yīng)力和局部承壓力。為實(shí)現(xiàn)這種鍵槽聯(lián)結(jié)，施工時必須在原梁翼板上每隔一小段距離鑿一個正方形或圓形孔洞，安裝后正好互相吻合對齊。鍵槽的構(gòu)造如圖2-15a)所示，或剛性型鋼筋如圖2—15b)所示。在設(shè)置好錨固鋼筋和防收縮鋼筋網(wǎng)之后，在對齊的孔洞中和裝配式鋼筋混凝土梁的接縫中澆筑細(xì)石水泥混凝土使之成為整體。
二、梁式橋上部結(jié)構(gòu)拓寬改建
為了提高橋梁的通航能力，適應(yīng)路線拓寬改建的要求，必須把寬度較窄的橋梁加以拓寬改建，梁式橋上部結(jié)構(gòu)拓寬改建，有單邊拓寬和兩邊對稱拓寬兩種形式。
1. 單邊拓寬改建法
當(dāng)原有公路路線是以單邊拓寬進(jìn)行改建時，相應(yīng)地對舊橋也可采用單邊拓寬的形式予以改建。單邊拓寬的做法是，平行于原橋另建一座新的橋跨結(jié)構(gòu)，如圖2-16所示。
圖2-16 單邊拓寬鋼筋混凝土梁式橋的實(shí)例
2．雙邊對稱拓寬改建法
為了與舊有路線雙邊對稱拓寬的方案相適應(yīng)，許多舊橋也應(yīng)采用雙邊對稱拓寬的改建方案。雙邊拓寬的形式，主要有增設(shè)獨(dú)立邊梁作為人行道，以及增設(shè)大邊梁來拓寬舊橋橋面和提高舊橋承載能力等。
3．拓寬實(shí)例
廣西武鳴縣寧武橋：為4孔一22m預(yù)制裝配式T型梁橋，原設(shè)計(jì)荷載為汽一13、拖一60，1966年建成。為了滿足大化電站建設(shè)需要，能夠通行201t大型拖車，1981年采用增加縱梁的方法對該橋進(jìn)行了加固補(bǔ)強(qiáng)。鑒于大型拖車靠中間行駛，只在橋中線兩側(cè)各現(xiàn)澆一片新梁，把原橋的縱梁由7梁式變?yōu)?梁式。施工步驟如下：
?。?）首先掀開橋面鋪裝，將設(shè)計(jì)需要增建的新主梁處的舊梁的翼板鑿除，切斷橫隔梁；
(2)利用原橋懸掛腳手架，支立模型板；
(3)安裝鋼筋骨架，安好支座；
(4)澆筑混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到75％時，再卸架拆除模板；
(5)焊接新舊混凝土橫隔梁連接部位的鋼板，并澆筑橫隔梁底部的擴(kuò)大截面和接縫處的混凝土；
(6)焊接上翼板處的鋼筋和綁扎好橋面的鋼筋，并及時澆筑上翼板和橋面的混凝土。
同時，為了加強(qiáng)全橋的橫向剛度，還應(yīng)該在橫隔梁的兩側(cè)各增設(shè)一根￠32mm的鋼筋，讓其橫穿全橋。并且在橫隔梁部位也應(yīng)增加2根￠25mm的鋼筋，以加強(qiáng)橫隔梁部位剛度。
加固后的試驗(yàn)證明：橋梁由于增設(shè)了縱梁，性能和承載能力均得到了較大的改善，與原橋比較整體剛度較大，橫向分布性能好，達(dá)到了通行201t大型拖車設(shè)計(jì)荷載的要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
