论路桥施工中加固技术的有效应用
2015-09-14
1、体外索加固桥梁设计方法
1．理论
为了满足加固后旧桥承载力的需要，体外索一般采用折线形，同时满足梁正截面抗弯强度和抗剪强度的要求。体外索材料一般由无粘结钢绞线、粗钢筋与槽钢组合而成。体外索布置（如图1）所示。体外索加固桥梁受弯构件时，可按偏心构件验算梁的承载力；按无粘结部分预应力混凝土结构，认为截面受弯破坏时，梁内的非预应力钢筋达到屈服，而预应力钢筋达不到极限强度，验算使用阶段的应力及结构的变形；按加劲梁组合结构分别对其受力和使用性能进行分析。在正使用极限状态的各项指标计算时，按整体变形协调条件计算在外载作用下预应力筋的应力增量。
2、桥梁加固设计实例
某大桥为平均跨距L 为13m 的钢筋混凝土T 型梁桥，原设计荷载为汽-10 级、拖-60。由于船体的撞击，下缘混凝土破损，部分混凝土脱落，已出现纵向贯通裂缝，主钢筋已严重锈蚀。加固时，首先凿除松散混凝土，用钢丝刷清锈处理，采用挂模浇筑C40 混凝土修补完整，然后施加体外预应力加固，加固后桥梁承载能力要求提高到汽15 级。T 型主梁翼缘宽178cm，翼缘厚12cm，梁肋宽18cm，受拉Ⅱ级，钢筋面积为44.27cm 2，采用C25 混凝土，体外索布置如图1 所示，支点距转向块L3 为180cm，转向块的间距L2 为840cm，端锚固点距转向块L1 为150cm，中心轴距梁上边缘y0u 为19.14cm，中心轴距梁下边缘y0d 为60.86cm，h1 为端锚固点至中心轴距离，h2 为转向块至中心轴距离。每T 型梁配置4 根无粘结预应力钢绞线，共16 根。为了使每片梁受力均匀，采用两端分2 次张拉，固定端与张拉端交叉布置。预应力钢绞线的张拉控制应力为855mpa，有效预应力为62,215mpa。加固后桥梁，采用前轴为55kn、后轴为155kn，两辆载重汽车进行现场荷载试验。对主梁跨中挠度、钢筋和混凝土的应力进行分析，并确认其加固效果。部分实测结果见表1~表2。
数据表明主梁跨中挠度为5.43mm，满足桥梁规范要求静活载挠度不超过（1/600）l 的要求，校验系数满足0.6~0.9 旧桥鉴定的要求。结构具有足够的抗弯刚度，达到汽- 15 荷载标准作用的使用要求。
表中，σL 为汽车荷载产生的应力；σp 为预应力产生的应力；σ为总应力。由表2、表3 数据表明：施加预应力，使主梁的上边缘混凝土产生拉应力和下边缘混凝土产生压应力，则上边缘混凝土总压应力值与下边缘混凝土总拉应力值都减小。钢筋的校验系数满足0.4-0.8 旧桥鉴定的要求。采用体外预应力加固后，从加固前汽-10 级荷载提高到加固后汽- 15 级荷载标准，加固效果是非常显著。荷载试验表明：在汽- 15 荷载标准作用下，加固后桥梁的抗弯承载能力系数为1.51，达到加固要求，该加固方法是可行的。
3、施工过程
1．钻孔与碳纤维粘贴
在T 型梁的腹板钻孔洞时，避开梁中受力钢筋.洞口周围粘贴了30cm×30cm 碳纤维，以增强混凝土的局部抗压能力。3.2 穿索与预应力张拉首先对每根无粘结钢绞线贴上编号标签，逐根将钢绞线穿入钢栓孔洞中，并调整至最佳位置。然后安装锚杯和夹片外螺母，将千斤顶和张拉配件安装就位，最后进行预应力张拉。张拉程序：0→10%σcon（读初始伸长值并作张拉程序：0→10%σ（测量伸长值l3 作记录）→σcon（测量伸长值l3 并作记录）→卸荷至零。采用一端张拉
法对钢绞线在梁两侧各一根进行对称张拉。张拉时，采用张拉力和预应力筋伸长量双重控制。张拉过程中，跟踪观测每片主梁的跨中挠度和裂缝闭合情况。
量取千斤顶活塞的伸长量l1 张拉达20%σcon 时再量取千斤顶活塞的伸长量l2，二者之差为钢索的实际推算伸长量。张拉应力达100%σcon，再量取千斤顶活塞的伸长量l3，l3 与l1 之差为钢索的际张拉伸长量。实际张拉伸长量与实际推算伸长量之差，与理论伸长相比误差不超过+10%，-5%。
式中，Fp 为平均张拉力；L，Ap，Ep 分别为预应力钢绞线计算长度、面积和弹性模量单根钢绞线的张拉力分别为120kN（2 片中梁）、100kN（2 片边梁）；初应力取张拉力的10%，即分别为12kN，10kN。由表4、表5 数据可以看出，张拉时，跨中向上挠度实测值与理论计算值吻合较好，说明理论计算的正确和施工质量的可靠。
4 体外预应力加固施工要点
4.1 放样定位
4.1.1 滑块垫板及锚固支座位置的放样定位
沿梁底从锚固实际中心（投影点）向跨中方向量取滑块垫板的中心位置及跨中位置，分别标记在梁底的两侧，并将垫板的平面尺寸绘在梁底面上，标出有关螺栓的孔位，在垫板放样中可以不计梁的挠度影响。
4.1.2 上锚固点的放样定位
（1）斜筋上锚固点位于梁顶或梁端面时，以单梁顶（端）面的纵轴线为基准，沿纵桥向测量锚固点距梁端的距离。
（2）锚固点位于梁端时，应量取锚固点距梁底或梁顶面的垂直距离，再沿横桥向对称量取上锚固点的横向距离，标出锚固点的理论位置。由于梁的顶板和腹板中均有钢筋存在，特别是受力钢筋，在进行锚固点放样时，可将锚固点位置适当调整以避开这些钢筋，切记不应将其切断。
4.2 上锚固点设置
当上锚固点设在梁顶及梁端顶面时，需要按设计的斜筋穿出位置，在桥面板或梁顶面凿穿两个具有与斜筋角度相同的斜孔。首先把桥面铺装层凿去，将梁顶面混凝土保护层凿去，露出钢筋，再将锚固垫板处的混凝土进行细凿。按斜孔的设计角度做一个凿孔架，将凿岩机的钻杆放入凿孔架的槽内，使钻头中心对准理论锚固点，然后再进行凿孔，以便凿好斜孔。上锚固孔凿完之后，将梁顶面混凝土清理干净，除去混凝土碎渣。然后，在开凿后的混凝土表面涂一层环氧胶液，再用环氧水泥砂浆铺平。最后将上锚固设在梁顶时，应保证锚垫板的上表面与梁顶面平齐，或略低一点，以确保锚固点上有尽可能厚的混凝土保护层。
4.3 转向装置
转向装置是实现体外索加固的重要构件，其传载方式和自身性能也是影响预应力施加效果的关键。体外预应力混凝土结构的预应力筋必须通过转向装置改变方向，从而形成设计的预应力筋曲线形式。在转向装置与预应力筋的接触区域，由于摩擦和横向力的挤压作用。如果转向装置设计不合理或构造措施不当，预应力钢材容易产生局部硬化和摩阻损失过大。转向装置的设计要求预应力筋在折角点的位置必须高度准确，避免产生附加应力，转向装置在结构使用期内也不应对预应力钢材有任何损害。另外，转向装置的加工应在加工厂进行，严禁在现场加工，现场安装中，要严格按图纸进行，在运输及焊接过程中，应采取措施防止焊接变形，穿束前应拉线确定安装是否合适。
4.4 预应力筋的安装和张拉
在安装预应力筋前，首先要检查各种锚具是否能正常工作，特别是粗钢筋的螺杆和螺母的匹配情况，逐个试拧，均应达到每个丝头在不加力的情况下，以手拧动就可将螺母拧至全程。
对于水平筋和斜筋分别采用两根粗钢筋或斜杆为型钢的情况，首先将斜筋与水平滑块固定在一起，并将斜筋的上锚固点固定。用临时支架将滑块定位在其垫板的位置上，然后再穿入水平筋。穿筋时应保证水平筋的两端均有相等的丝头长度，检查滑块位置并预留滑移量。为了防止在张拉锚固时拧紧螺母困难，上紧两水平筋的螺母，同时应保证水平筋的中心与滑块锚孔的对中。
而横向收紧水平筋产生预应力的体系，则首先按斜筋的斜度要求将斜杆焊接在梁端的U 型锚固板上，采用夹杆焊将水平筋焊在斜筋上。每隔2 m～2.5 m 用木块将水平拉杆垫起，然后安装锁紧装置，以减少垂度。以备张拉，先安放弯起点处的立柱，再按设计位置安装撑棍和收紧器。
就张拉位置而言，体外预应力筋的张拉方法可分为沿斜筋方向在梁顶张拉和沿水平筋方向在梁底张拉。一般来说，由于张拉设备及操作人员的限制不可能所有的梁同时张拉，但对于同一根梁的两侧预应力筋应尽量做到同步张拉，以保证梁两侧的钢筋具有相等或相近的预应力状态。
4.5 压浆
张拉完成后局部有粘结段的压浆工作是一道很重要的工序，首先施工前要进行1∶l 的模型试验，在保证压浆密实饱满的情况下，局部有黏结段的粘结力可达到设计张拉力的108 %。工程中，压浆施工在张拉完成后24 h 内进行，以满足锚固要求。压浆采用手动压浆机，保证压浆过程的均匀稳定和压浆压力的要求。另外，压浆密实程度将直接影响粘结效果，所以在压浆中应严格控制水灰比，并保持压力均匀。
结束语
（体外预应力加固法主要用于梁式桥（包括简支梁、悬臂梁、连续体系梁桥）正常使用极限状态超限的结构，具有加固、卸载及减少结构内力的作用。通过对旧桥施加体外预应力，能够达到减少或消除裂缝，减小梁体下挠，改善结构各截面应力状态的目的，增强了结构的耐久性。
尽管体外预应力加固路桥结构有其独特的优势，但是仍有大量的问题，如：①体外预应力索不能参与局部裂缝的控制；②体外预应力索容易受到意外的破坏；③从力学特性上来讲体外预应力索与周围结构主体在同一截面上的变形是不协调的；④由于转向装置和锚固点受到约束，行车时容易引起体外索的振动，预应力索的自由长度受到限制。因此，我们需要进行大量的试验研究和理论分析，以便找到一种可靠、实用、准确、合理的计算理论和施工工艺，为体外预应力加固技术在路桥工程加固中的推广使用奠定基础。
