阜宁城北桥系杆加固设计与施工
2011-05-24 来源：加固改造网
1．工程概况
阜宁城北桥为通榆河中段工程跨河公路桥梁中的一座，设计荷载为汽车-20级，挂车-100，行车道宽为9m，人行道宽1．5m。桥跨布置为2×25+51+2×25m，25m跨为预应力混凝土简支T梁，51m跨为预应力混凝土刚性系杆拱，拱肋为普通钢筋混凝土结构，采用二次抛物线拱轴线，矢跨比为1/5，系杆及横梁为预应力混凝土结构，系杆预应力筋为12束6Φ?j15钢绞线、OVM锚具，吊杆为42Φ?S5高强碳素钢丝、DM锚具外套Φ102mm钢管护套。拱肋及系杆断面均为工字形，系杆和拱肋采用分段预制、有支架拼装法施工，系杆拼装结束后，首先张拉8束钢绞线，然后拼装拱肋，待拱肋拼装完成后，拆除拱肋支架，张拉吊杆预应力筋，最后张拉系杆第二批钢绞线（4束）。
2．系杆裂缝发生及原因分析?
2．1裂缝发生
施工过程中，在张拉北侧2号吊杆时，发现2号吊杆附近的系杆薄腹部位出现裂缝。张拉另一端吊杆时，发现同样情况。拆除系杆支架时，发现多处支点没有脱空，支架拆除后，系杆裂缝增多。经检查北侧系杆外侧有裂缝81条，裂缝沿纵桥向分布较为均匀，15条在薄腹范围，缝长30~70cm，裂缝发展到下缘的有5条，发展到上缘的有24条，其中有9条为贯通缝。裂缝宽度大于0．08mm的有15条，并有2条最大缝宽达?0．4mm。缝的走向基本为上下垂直，并发现系杆有下挠现象。北侧系杆在4号吊杆处下挠3．9cm，南侧系杆在4号吊杆处下挠3．0cm，根据理论计算，该处恒载挠度应为1．4cm。南侧系杆发现裂缝13?条，均已发展到截面下缘，且都发生在1号及4号吊杆附近。
2．2裂缝发生原因分析
根据裂缝的分布规律及宽度等情况分析，裂缝的产生主要是由于系杆所承受的轴向拉力超过混凝土预压力所致。在设计计算中由恒载产生的系杆轴向拉力为2968kN，而8束6Φj15钢绞线所施加的有效预压力为：
NY=ny·ky·σk·Ay
式中：ny——预应力筋数量，ny=8束；?
ky——有效预应力系数，取k?y=0．7；?
σk——预应力筋在锚下的控制应力，?
σk=0．75，=1600MPa；?
Ay——单束钢绞线截面积，Ay=824．67m2。?
Ny=8×0．7×0．75×1600×824．67?
=5542×103（N）
按理论计算的钢绞线有效预压力远大于恒载所产生的轴向拉力。因此，在实际施工中8束预应力钢绞线的预加力未达到设计所要求的值，也就是说8束预应力筋的预应力损失过大造成系杆裂缝的产生。为了查明应力损失过大的原因，对尚未张拉的力筋进行了试验。利用原张拉使用的锚夹具、原班操作人员在南北系杆各取一束进行张拉试验。结果发现，北侧系杆试验孔在西端退工具锚时，有两根钢绞线工作锚没有锚住，跟进滑丝，补拉以后仍然滑丝。东端退锚时有一根跟进滑丝，另一根退到中途时发出巨响突然滑丝。六根钢绞线只有两根没有滑丝，南侧系杆试验孔西端退锚时有两根跟进滑丝，但有一根滑到9cm时工作锚又夹住了，没有滑完。东端退锚时有一根跟进滑丝，补拉后仍然锚不住。西端一根补张拉达到张拉控制力时，工具锚夹片突然飞出，钢绞线冲出18cm，同时东端发现有三根钢绞线突然缩进，有一根缩进40cm。这三根钢绞线中有一根是原来东端滑丝的那一根，另一根为西端滑进9cm的一根。据此分析，该试验孔有三根钢绞线滑丝，三根未滑。
根据以上情况，对锚具进行了检验，发现存在以下问题：
①所采用的锚具夹片硬度偏低；
②夹片外形不标准，从滑丝的夹片看，有少部分丝牙拉平了，大部分丝牙还没有靠钢绞线，夹片放在锚板孔内，四周间隙也不均匀。经同济大学及东南大学有关专家教授的论证，确认由于锚具质量不合格，引起滑丝和失锚是预应力损失过大的直接原因。
3．系杆加固设计
系杆由于预应力不足产生裂缝，加固时针对这一原因，应采取一定措施补足设计所需的预应力值，而加固后不应改变原结构的受力特点，由于系杆仅剩4束预应力筋尚未张拉，预应力值（张拉控制值）为4156kN，小于原设计系杆预应力筋的张拉控制值11580kN。考虑到已张拉的8束钢绞线尚有部分剩余预应力，因此在进行加固设计时，采用体外预应力和体内预应力相结合的方法。在体外增加4束无粘结钢绞线，外裹镀锌钢管护套，系杆每侧各2束，分别布置在工字形系杆的腹板顶部和底部，体外4束钢绞线为9Φj15、=1860MPa，张拉控制值分别为北侧系杆每米1650kN，南侧系杆每束1400kN，体内4束钢绞线改为6Φj15，=1860MPa，张拉控制值为1100kN，合计北侧系杆8束钢绞线张拉控制值为11000kN，南侧系杆8束钢绞线张拉控制值为10000kN，加上剩余部分预应力，基本上接近原设计所要求的值。为了将体外束所产生的预应力有效地传递到系杆上，在系杆两端特制锚固钢绞线的钢靴，钢靴位于原后浇封头混凝土位置，钢靴面板为30mm厚钢板，封头板根据钢绞线位置开孔穿束，钢束锚板与封头板间设厚垫板，以使锚下应力均匀扩散，为了加强钢束张拉时钢靴的抗弯抗剪作用，在钢靴背部设横梁和背拉架，钢靴内侧设数道横肋板。钢靴与系杆间空隙采用活塞压浆机灌注60号无收缩快硬高强水泥砂浆，砂浆水灰比为0．32，外加1%JM-Ⅱ混凝土高效增强剂，确保钢靴与系杆紧密结合，以保证预应力的有效传递。
4．加固实施与结果
为确保加固工作取得成功，保证钢靴内灌浆达到设计要求，特制木靴进行模拟试验，在取得成功后进行实际操作。在体外预应力钢绞线张拉时，采用4台千斤顶对每侧系杆4束同时同步单向张拉，系杆每端布设两台千斤顶，每束一端张拉结束后，由另一端补张至设计吨位，南北系杆交替分级加载。加固工作取得了较好的效果，经观测，裂缝闭合情况良好。张拉结束后，南侧系杆发现一条裂缝，缝宽小于0．06mm，北侧系杆仅剩11条裂缝，缝宽亦均小于0．06mm，应属残留变形现象，拱肋没有发现裂缝产生。北侧系杆最大起拱为3．1cm，南侧系杆最大起拱为2．9cm，加上原剩余部分预拱度，北侧系杆预拱度最大值为3．2cm，南侧系杆预拱度最大值为3．9cm，基本上达到了原设计4cm的预拱度。加固工作结束后，按照挂车荷载的布置要求，对该桥进行了静载试验，未发现有新的裂缝产生，且老缝也未发生任何变化，系杆最大挠度为7mm，与理论计算相符，加固取得了成功。
5．结束语
体外预应力应用在桥梁加固中是一种尝试，从结果来看技术是可行的，经济上是合理的，不仅仅适用于系杆拱的加固，也适用于梁式桥等其他结构类型的加固补强，是一种适用范围较广的方法。
