論路橋施工中加固技術(shù)的有效應(yīng)用
2015-09-14
1、體外索加固橋梁設(shè)計(jì)方法
1．理論
為了滿足加固后舊橋承載力的需要，體外索一般采用折線形，同時(shí)滿足梁正截面抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的要求。體外索材料一般由無粘結(jié)鋼絞線、粗鋼筋與槽鋼組合而成。體外索布置（如圖1）所示。體外索加固橋梁受彎構(gòu)件時(shí)，可按偏心構(gòu)件驗(yàn)算梁的承載力；按無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，認(rèn)為截面受彎破壞時(shí)，梁內(nèi)的非預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到屈服，而預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)不到極限強(qiáng)度，驗(yàn)算使用階段的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)的變形；按加勁梁組合結(jié)構(gòu)分別對其受力和使用性能進(jìn)行分析。在正使用極限狀態(tài)的各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算時(shí)，按整體變形協(xié)調(diào)條件計(jì)算在外載作用下預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量。
2、橋梁加固設(shè)計(jì)實(shí)例
某大橋?yàn)槠骄缇郘 為13m 的鋼筋混凝土T 型梁橋，原設(shè)計(jì)荷載為汽-10 級(jí)、拖-60。由于船體的撞擊，下緣混凝土破損，部分混凝土脫落，已出現(xiàn)縱向貫通裂縫，主鋼筋已嚴(yán)重銹蝕。加固時(shí)，首先鑿除松散混凝土，用鋼絲刷清銹處理，采用掛模澆筑C40 混凝土修補(bǔ)完整，然后施加體外預(yù)應(yīng)力加固，加固后橋梁承載能力要求提高到汽15 級(jí)。T 型主梁翼緣寬178cm，翼緣厚12cm，梁肋寬18cm，受拉Ⅱ級(jí)，鋼筋面積為44.27cm 2，采用C25 混凝土，體外索布置如圖1 所示，支點(diǎn)距轉(zhuǎn)向塊L3 為180cm，轉(zhuǎn)向塊的間距L2 為840cm，端錨固點(diǎn)距轉(zhuǎn)向塊L1 為150cm，中心軸距梁上邊緣y0u 為19.14cm，中心軸距梁下邊緣y0d 為60.86cm，h1 為端錨固點(diǎn)至中心軸距離，h2 為轉(zhuǎn)向塊至中心軸距離。每T 型梁配置4 根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，共16 根。為了使每片梁受力均勻，采用兩端分2 次張拉，固定端與張拉端交叉布置。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制應(yīng)力為855mpa，有效預(yù)應(yīng)力為62,215mpa。加固后橋梁，采用前軸為55kn、后軸為155kn，兩輛載重汽車進(jìn)行現(xiàn)場荷載試驗(yàn)。對主梁跨中撓度、鋼筋和混凝土的應(yīng)力進(jìn)行分析，并確認(rèn)其加固效果。部分實(shí)測結(jié)果見表1~表2。
數(shù)據(jù)表明主梁跨中撓度為5.43mm，滿足橋梁規(guī)范要求靜活載撓度不超過（1/600）l 的要求，校驗(yàn)系數(shù)滿足0.6~0.9 舊橋鑒定的要求。結(jié)構(gòu)具有足夠的抗彎剛度，達(dá)到汽- 15 荷載標(biāo)準(zhǔn)作用的使用要求。
表中，σL 為汽車荷載產(chǎn)生的應(yīng)力；σp 為預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力；σ為總應(yīng)力。由表2、表3 數(shù)據(jù)表明：施加預(yù)應(yīng)力，使主梁的上邊緣混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力和下邊緣混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力，則上邊緣混凝土總壓應(yīng)力值與下邊緣混凝土總拉應(yīng)力值都減小。鋼筋的校驗(yàn)系數(shù)滿足0.4-0.8 舊橋鑒定的要求。采用體外預(yù)應(yīng)力加固后，從加固前汽-10 級(jí)荷載提高到加固后汽- 15 級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)，加固效果是非常顯著。荷載試驗(yàn)表明：在汽- 15 荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下，加固后橋梁的抗彎承載能力系數(shù)為1.51，達(dá)到加固要求，該加固方法是可行的。
3、施工過程
1．鉆孔與碳纖維粘貼
在T 型梁的腹板鉆孔洞時(shí)，避開梁中受力鋼筋.洞口周圍粘貼了30cm×30cm 碳纖維，以增強(qiáng)混凝土的局部抗壓能力。3.2 穿索與預(yù)應(yīng)力張拉首先對每根無粘結(jié)鋼絞線貼上編號(hào)標(biāo)簽，逐根將鋼絞線穿入鋼栓孔洞中，并調(diào)整至最佳位置。然后安裝錨杯和夾片外螺母，將千斤頂和張拉配件安裝就位，最后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。張拉程序：0→10%σcon（讀初始伸長值并作張拉程序：0→10%σ（測量伸長值l3 作記錄）→σcon（測量伸長值l3 并作記錄）→卸荷至零。采用一端張拉
法對鋼絞線在梁兩側(cè)各一根進(jìn)行對稱張拉。張拉時(shí)，采用張拉力和預(yù)應(yīng)力筋伸長量雙重控制。張拉過程中，跟蹤觀測每片主梁的跨中撓度和裂縫閉合情況。
量取千斤頂活塞的伸長量l1 張拉達(dá)20%σcon 時(shí)再量取千斤頂活塞的伸長量l2，二者之差為鋼索的實(shí)際推算伸長量。張拉應(yīng)力達(dá)100%σcon，再量取千斤頂活塞的伸長量l3，l3 與l1 之差為鋼索的際張拉伸長量。實(shí)際張拉伸長量與實(shí)際推算伸長量之差，與理論伸長相比誤差不超過+10%，-5%。
式中，F(xiàn)p 為平均張拉力；L，Ap，Ep 分別為預(yù)應(yīng)力鋼絞線計(jì)算長度、面積和彈性模量單根鋼絞線的張拉力分別為120kN（2 片中梁）、100kN（2 片邊梁）；初應(yīng)力取張拉力的10%，即分別為12kN，10kN。由表4、表5 數(shù)據(jù)可以看出，張拉時(shí)，跨中向上撓度實(shí)測值與理論計(jì)算值吻合較好，說明理論計(jì)算的正確和施工質(zhì)量的可靠。
4 體外預(yù)應(yīng)力加固施工要點(diǎn)
4.1 放樣定位
4.1.1 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。
4.1.2 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。
?。?）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。
4.2 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兩個(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。
4.3 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。
4.4 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在梁端的U 型錨固板上，采用夾桿焊將水平筋焊在斜筋上。每隔2 m～2.5 m 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)。
4.5 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，局部有黏結(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24 h 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。
結(jié)束語
?。w外預(yù)應(yīng)力加固法主要用于梁式橋（包括簡支梁、懸臂梁、連續(xù)體系梁橋）正常使用極限狀態(tài)超限的結(jié)構(gòu)，具有加固、卸載及減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力的作用。通過對舊橋施加體外預(yù)應(yīng)力，能夠達(dá)到減少或消除裂縫，減小梁體下?lián)?，改善結(jié)構(gòu)各截面應(yīng)力狀態(tài)的目的，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的耐久性。
盡管體外預(yù)應(yīng)力加固路橋結(jié)構(gòu)有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但是仍有大量的問題，如：①體外預(yù)應(yīng)力索不能參與局部裂縫的控制；②體外預(yù)應(yīng)力索容易受到意外的破壞；③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；④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。因此，我們需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究和理論分析，以便找到一種可靠、實(shí)用、準(zhǔn)確、合理的計(jì)算理論和施工工藝，為體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在路橋工程加固中的推廣使用奠定基礎(chǔ)。
