浅谈预应力钢丝绳抗弯加固桥梁新技术
2012-02-17 来源：作者：赵庆水 来源：中国鸣网
随着我国国民经济的发展，交通运输量迅速增长，道路上的行车密度和车辆轴重不断加大，公路桥梁负荷日趋加重，加之旧桥部分构件老化、破损或受原设计标准的限制，已不能适应现代交通运输的要求，桥梁需进行加固处理。
对于混凝土桥梁的抗弯加固，目前常用的方法有增大截面加固、粘贴钢板加固、粘贴纤维复合材料加固、体外预应力加固等。这些加固方法各有优点，同时也有不足之处。加大截面加固能有效提高结构的刚度和承载力，但施工周期长，增加结构自重，减小桥下使用空间；粘贴钢板加固对结构刚度提高明显，但由于钢板容易腐蚀耐久性较差，且由于使用结构胶往往发生粘结破坏，对承载力提高有限；粘贴纤维复合材料加固，纤维材料由于自重轻，抗拉强度高，抗腐蚀能力强，提高最大承载力明显，但对刚度提高不大，且由于使用结构胶容易发生粘结破坏；体外预应力加固对刚度和承载能力提高明显，但锚固端受力很大不容易控制，且施工麻烦，加固成本较高。
利用预应力钢丝绳对桥梁进行抗弯加固，有效地克服了上述诸多加固方法的缺点，基本上不增加结构自重，不减少桥下使用空间，并能显著提高结构的刚度和最大承载力，使加固材料能够充分发挥作用，并且不发生粘结破坏，施工方便，成本不高，是一种较好的抗弯加固方法。
1、工程概况
济南市绕城高速公路北段西起京福高速公路大杨庄互通式立交，东至济青高速公路零点立交，全长16.9公里。北高架桥位于绕城高速北段，全长7.55公里。桥梁设计为双向四车道，单幅桥面净宽为11m，两侧各0.5m防撞护栏。
桥上部结构的主要形式有钢筋混凝土连续板、预应力混凝土连续板、钢筋混凝土连续刚构、预应力混凝土等截面连续刚构、预应力混凝土变截面连续刚构、斜拉桥等。
2007年在对北高架桥的检测中，发现该桥存在较多病害，上部结构梁底出现了较多裂缝。经山东省交通规划设计院、山东高速检测咨询中心等有关部门现场查看，确定对于上行车道第29孔25m等截面连续刚构采用预应力高强钢丝绳进行主动加固，提高其抗弯承载力。
2、预应力高强钢丝绳加固混凝土梁的原理
用预应力高强钢丝绳加固混凝土梁，是在需要提高抗弯承载力的梁底部外侧，沿梁跨度方向布置一排或多排施加了预拉力的钢丝绳，以此来抵消部分外荷载在梁上产生的弯矩影响。
预应力高强钢丝绳与体外预应力都属主动加固方式，但前者比后者具有更多优势：
2.1钢丝绳在梁底分散布置，不会在锚固区产生应力集中；
2.2钢丝绳张拉完成后在梁底涂抹防护砂浆，可以保护钢丝绳不受损伤；
2.3单根预应力钢丝绳的拉力较小，张拉时不需要大型设备，施工更方便。
3、预应力钢丝绳加固材料特点
预应力高强钢丝绳加固对钢丝绳材料、锚头、锚具以及砂浆都有着特殊的要求。
钢丝绳应选用高强度、低松弛、高延性的钢丝绳，其直径不宜太大，以便于张拉和锚固，直径根据所需施加的总预应力和钢丝绳根数共同确定，本工程中钢丝绳直径为4.5mm。
选用铝合金套筒制作挤压锚头，把钢丝绳端部折成双股后穿入套筒中，然后后用特别设计的挤压器进行挤压，使铝合金套筒与钢丝绳成为一整体，构成挤压锚头。
锚具为在一定厚度的钢板上开槽，把钢丝绳从槽口嵌入，挤压锚头卡在锚具侧面将钢丝绳锚住。
端部锚固砂浆采用环氧砂浆，强度高、硬化快；底部防护砂浆采用聚合物砂浆，应具有较好的延性，不易出现横向裂缝。
4、预应力高强钢丝绳加固设计计算方法
预应力高强钢丝绳加固梁体可按《公路桥梁加固设计规范》中体外预应力加固的方法进行计算。
4.1评估抗弯加固前梁体的极限承载力
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中相关公式
式中，——桥梁结构的重要性系数，按公路桥涵的设计安全等级，一级、二级、三级分别取用1.1、1.0、0.9。
根据以上两式以及桥梁结构的截面特性计算出梁体的抗弯承载力Md。
4.2计算结构当前承受的实际荷载
由桥上相应构件的材料容重及截面特性可计算其承受的恒载弯矩大小。根据《公路桥涵设计通用规范》计算各片梁横向分布系数，由梁体的受力影响线求得汽车荷载在两种产生的最大活载弯矩。按规范中“1.2恒载+1.4活载”进行荷载组合，可得到当前结构所受最大弯矩设计值M0。
4.3计算需提高的抗弯承载力
若计算的极限抗弯承载力Md比荷载在跨中产生的最大弯矩M0小，则说明结构承载能力不足，需要进行抗弯加固，两者差值即为需要提高的抗弯承载力，ΔM=M0-Md
4.4计算需要的预应力钢丝绳数量
在梁底增加预应力钢丝绳将使混凝土受压区高度增加，高度增加部分（Δx）混凝土对底部既有纵向受拉钢筋与预应力钢丝绳的合力点的弯矩即为提高的抗弯承载力。
4.5端部锚具设计
端部锚具尺寸根据预应力钢丝绳所受的拉力计算确定，扣除钢丝绳孔道后的净截面积须能满足钢丝绳所受拉力，根据梁底宽度和所需预应力钢丝绳根数，确定钢丝绳的布置层数，进而确定锚具的截面尺寸。
5、预应力钢丝绳加固梁体施工工艺
预应力高强钢丝绳抗弯加固必须将钢丝绳可靠地锚固于梁底，使钢丝绳的拉力能够传递到待加固混凝土梁上，有效提高混凝土梁的抗弯承载力，施工方法和工艺如下所述：
5.1端部锚具的制作
端部锚具由钢丝绳根数和其承担的拉力荷载专门设计。为确保预应力钢丝绳张拉与锚固的方便，其外侧为开口形式，开口宽度比钢丝绳直径宽0.5mm，开口深度以能将钢丝绳有效锚固为宜。锚具的厚度考虑焊接的需要，宽度由钢丝绳的受拉力所需强度确定，长度根据梁底宽度确定。本工程中锚具槽口宽度为5mm，深度为10mm，单个锚具长度为74cm，宽度为5cm。锚具制作完成后将其焊在宽度较大的钢板上。
5.2端部锚座的固定
按照设计要求，对梁端底板进行量测、放线，确定设置端部锚具的中心线位置。在梁底安装端部锚座的中心线位置沿跨度方向刻槽，刻槽深度以能将锚具的锚固钢板嵌入为宜，以使钢丝绳与梁底尽量密贴。将刻槽位置打磨成粗糙的平面，并钻孔植入全螺纹螺杆。打磨锚固钢板的粘贴结合面，在钢板结合面及处理好的混凝土表面上涂抹粘钢胶，将钢板粘贴在预定位置，立即紧固螺母将钢板固定。待结构胶达到设计强度钢板粘贴牢固后，即可进行下一道工序。
5.3预应力钢丝绳下料与挤压锚头的制作
预应力钢丝绳的下料长度要求极为严格，根据两端端部锚具的间距及预应力钢丝绳的工作应力计算确定。梁底锚座安装好后，用一根同规格的钢丝绳作为基准钢丝，根据基准钢丝的张拉控制应力与现场测量的实际引伸量的关系，精确确定钢丝绳的无应力下料长度。钢丝绳下料是应在拉紧但无应力状态下进行，下料长度应控制在±3mm以内。
挤压锚头为铝合金双孔套筒式，钢丝绳在端部折成双股后穿入挤压锚头内孔，由专门设计的挤压模具、挤压机械对挤压锚头进行强力挤压，使挤压锚头与钢丝绳挤压成一体。
5.4预应力钢丝绳的张拉与锚固
预应力钢丝绳的一端可直接穿入端部锚具的开口，另一端通过张拉器进行张拉。张拉长度满足两端的端部锚具间距时，将预应力钢丝绳从端部锚具的开口嵌入，对挤压锚头进行锚固。张拉时采用对称的原则，从中间向两侧对称进行，以防结构产生扭转、侧弯，一侧与另一侧的钢丝绳数量之差不超过3根。
钢丝绳张拉过程中要密切注意每根钢丝绳的张拉应力大小，拉应力过大或过小都是不符合要求的。若张拉的钢丝绳应力超过设计控制张拉力很多才能锚固，则该钢丝绳的下料长度过短，不符合要求；若钢丝绳张拉应力还没有达到设计控制张拉力就可嵌入锚具凹槽内，则该钢丝绳下料长度过长，可加锚具外端加垫片进行调整。
5.5浇筑端部锚固砂浆和底部防护砂浆
端部锚固砂浆采用高性能环氧砂浆，强度高、硬化快；底部防护砂浆采用聚合物砂浆，具有较好的延性，不易出现横向裂缝。在钢丝绳全部张拉完毕并可靠锚固后，在端部锚具处涂抹锚固砂浆，在锚具之间的钢丝绳位置梁底涂抹防护砂浆，将钢丝绳及锚具覆盖。砂浆涂抹完成后，在其表面涂刷一层与梁体颜色相近的涂料，以达到美观效果。
6、结束语
6.1预应力钢丝绳加固梁体，克服了诸多抗弯加固方法的不足，并能有效提高结构的刚度和抗弯承载力，是一种相对较好的加固方法，具有很好的应用前景。
6.2由于钢丝绳挤压锚头是在张拉施工前就制作好的，对其施加的预应力靠钢丝绳的伸长量控制，并且每根钢丝绳的弹性模量不一定完全相同，即使其下料长度完全相同，还可能会使最终施加的预应力与设计值存在偏差，若能将张拉端的锚头和锚具进行改进，将使得这种方法更加完美。
