体外预应力加固桥梁工程应用探讨
2016-03-23
近年来，随着各种重型车辆的不断出现，公路桥梁负荷日趋加重，而且旧桥部分老化、破损，已经不能适应现代交通运输的要求。因此，对桥梁结构的维修、加固和补强的研究及应用，是目前和今后面临的主要任务。
1体外预应力加固法的特点
1.1 体外预应力加固的优点
体外预应力是后张无粘结预应力体系的分支之一。将预应力钢筋布置于混凝土截面之外的技术己在工程中得到了应用，并成为加固既有桥梁的有效方法之一。采用体外预应力技术加固桥梁结构有很多优点：①预应力布置简单，可以调整，简化了后张的操作程序。所需设备、人员少，施工周期短，经济效益好；②对桥上交通影响小，可不中断交道或短时间限制交通；③增加恒重不多，可以能动地调节原结构中的应力状态，达到有效加固的目的；④维护修补方便，可以随时更换预应力筋；⑤对桥梁损伤小，可做到不影响桥下净室不抬高路面标高；⑥能够较大幅度地提高旧桥的承载能力和结构刚度，能够有效的控制原结构的裂缝和挠度，使裂缝部分或全部闭合，使挠度大幅度减小。
1.2体外预应力加固的缺点
但体外预应力加固也有如下缺点:①体外预应力索容易受到意外的破坏。②体外预应力索不能参与局部裂缝的控制。③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。④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。
2体外预应力加固原理
体外预应力结构的预应力筋布置在主体结构之外，固体外预应力索通常为由多根钢绞线组合成的集中钢索，故称为体外预应力索。体外预应力加固通常采用粗钢筋钢绞线、高强钢丝等材料作为施力工具。在体外对桥梁上部结构施加预应力，以预应力产生的反弯矩部分抵消外荷载产生的内力，起到卸载的作用，从而较大提高桥梁结构的承载能力。对于钢筋混凝土桥梁，可考虑采用体外预应力进行加固，该法具有加固，卸荷改变结构内力的三重功效。体外预应力混凝土结构的基本组成主要包括：体外预应力索、管道和灌浆材料，体外预应力索的锚固系统，体外预应力索的转向装置
3体外预应力加固施工要点
3.1放样定位
3.1.1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。
3.1.2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。
3.2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二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。
3.3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。
3.4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再梁端的U型锚固板上，采用夹杆焊将水平筋焊再斜筋上。每隔2～2.5m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。
3.5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，局部有粘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24h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。
4工程实例
4.1工程概况
某高速公路(86+160+86)m预应力混凝土连续刚构桥，大桥左右线独立设置，采用单箱单室直腹板箱型截面全桥立面及断面形式。
4.2体外预应力加固措施
本桥的总体纵向加固手段为体外预应力加固法，用于提高主梁结构的预应力度，补偿已损失的纵向预应力。根据设计要求，每幅桥共新增布置26束体外索，体外索分为三种类型：通长索N1(单幅4束、单根工作长度约333m)、中跨索N2(单幅6束、单根工作长度约l80m)和支点短索N3(单幅每支点各8束、单根工作长度36m)。体外索相对与梁体两侧和两端均对称布置，施工时每次张拉对称的一对钢束，钢绞线在两端同步张拉。支点短索采用12-7φ5钢绞线，通长索和中跨索采用31-7φ5钢绞线。
体外预应力拉索采用FECS15．2SP型环氧涂层填充型钢绞线。公称面积140mm2，抗拉强度标准值为1860MPa，弹性模量为1.9×105MPa，锚下张拉控制应力为0．55by。
体外索布置在箱内，张拉完成后成空间曲线，经转向器(分丝／整体)和预埋钢管穿过转向架，达到转向和传力的目的，通过锚固块锚固。为方便与原结构的连接，所有锚固装置和转向装置均采用混凝土结构。为防止桥面行车引起钢束过大震动，沿体外索纵向每隔8m左右设置一道防振限位装置。
体外索锚具采用FSM．TWC15-31型(带承压筒、防松装置、锚板、调节螺母、密封装置、密封筒组件)、FSM．TWB15-3l型(带保护罩组件、防松装置、锚板、密封装置)、FSM．TWBI5-12型(带保护罩组件、防松装置、锚板、密封装置)锚具，夹片为FSM-W15型。满足分级、补张拉和放松拉力等张拉工艺要求，同时可以整束调索、换索，并且具有良好的自锚性能、松锚性能和安全的重复使用性能。
4.3施工工艺流程
索道清理及穿索准备→钢绞线下料→穿布钢绞线→安装锚具、夹片→钢绞线牵引(初张拉) →对称张拉钢绞线→多余钢绞线切除→安装防松压板及索夹→锚头灌注环氧砂浆→安装保护罩并灌注防腐油脂→安装防振限位装置。
结束语
总之，相对与其他常规的桥梁加固措施，体外预应力技术是一种灵活的主动加固技术，可以主动改善结构的应力状况，大幅度改善结构的安全性能，有着一定的推广价值。
