淺談預(yù)應(yīng)力鋼絲繩抗彎加固橋梁新技術(shù)
2012-02-17 來源：作者：趙慶水 來源：中國鳴網(wǎng)
隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，交通運輸量迅速增長，道路上的行車密度和車輛軸重不斷加大，公路橋梁負荷日趨加重，加之舊橋部分構(gòu)件老化、破損或受原設(shè)計標準的限制，已不能適應(yīng)現(xiàn)代交通運輸?shù)囊?，橋梁需進行加固處理。
對于混凝土橋梁的抗彎加固，目前常用的方法有增大截面加固、粘貼鋼板加固、粘貼纖維復(fù)合材料加固、體外預(yù)應(yīng)力加固等。這些加固方法各有優(yōu)點，同時也有不足之處。加大截面加固能有效提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力，但施工周期長，增加結(jié)構(gòu)自重，減小橋下使用空間；粘貼鋼板加固對結(jié)構(gòu)剛度提高明顯，但由于鋼板容易腐蝕耐久性較差，且由于使用結(jié)構(gòu)膠往往發(fā)生粘結(jié)破壞，對承載力提高有限；粘貼纖維復(fù)合材料加固，纖維材料由于自重輕，抗拉強度高，抗腐蝕能力強，提高最大承載力明顯，但對剛度提高不大，且由于使用結(jié)構(gòu)膠容易發(fā)生粘結(jié)破壞；體外預(yù)應(yīng)力加固對剛度和承載能力提高明顯，但錨固端受力很大不容易控制，且施工麻煩，加固成本較高。
利用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩對橋梁進行抗彎加固，有效地克服了上述諸多加固方法的缺點，基本上不增加結(jié)構(gòu)自重，不減少橋下使用空間，并能顯著提高結(jié)構(gòu)的剛度和最大承載力，使加固材料能夠充分發(fā)揮作用，并且不發(fā)生粘結(jié)破壞，施工方便，成本不高，是一種較好的抗彎加固方法。
1、工程概況
濟南市繞城高速公路北段西起京福高速公路大楊莊互通式立交，東至濟青高速公路零點立交，全長16.9公里。北高架橋位于繞城高速北段，全長7.55公里。橋梁設(shè)計為雙向四車道，單幅橋面凈寬為11m，兩側(cè)各0.5m防撞護欄。
橋上部結(jié)構(gòu)的主要形式有鋼筋混凝土連續(xù)板、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)板、鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土等截面連續(xù)剛構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋等。
2007年在對北高架橋的檢測中，發(fā)現(xiàn)該橋存在較多病害，上部結(jié)構(gòu)梁底出現(xiàn)了較多裂縫。經(jīng)山東省交通規(guī)劃設(shè)計院、山東高速檢測咨詢中心等有關(guān)部門現(xiàn)場查看，確定對于上行車道第29孔25m等截面連續(xù)剛構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力高強鋼絲繩進行主動加固，提高其抗彎承載力。
2、預(yù)應(yīng)力高強鋼絲繩加固混凝土梁的原理
用預(yù)應(yīng)力高強鋼絲繩加固混凝土梁，是在需要提高抗彎承載力的梁底部外側(cè)，沿梁跨度方向布置一排或多排施加了預(yù)拉力的鋼絲繩，以此來抵消部分外荷載在梁上產(chǎn)生的彎矩影響。
預(yù)應(yīng)力高強鋼絲繩與體外預(yù)應(yīng)力都屬主動加固方式，但前者比后者具有更多優(yōu)勢：
2.1鋼絲繩在梁底分散布置，不會在錨固區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中；
2.2鋼絲繩張拉完成后在梁底涂抹防護砂漿，可以保護鋼絲繩不受損傷；
2.3單根預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的拉力較小，張拉時不需要大型設(shè)備，施工更方便。
3、預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固材料特點
預(yù)應(yīng)力高強鋼絲繩加固對鋼絲繩材料、錨頭、錨具以及砂漿都有著特殊的要求。
鋼絲繩應(yīng)選用高強度、低松弛、高延性的鋼絲繩，其直徑不宜太大，以便于張拉和錨固，直徑根據(jù)所需施加的總預(yù)應(yīng)力和鋼絲繩根數(shù)共同確定，本工程中鋼絲繩直徑為4.5mm。
選用鋁合金套筒制作擠壓錨頭，把鋼絲繩端部折成雙股后穿入套筒中，然后后用特別設(shè)計的擠壓器進行擠壓，使鋁合金套筒與鋼絲繩成為一整體，構(gòu)成擠壓錨頭。
錨具為在一定厚度的鋼板上開槽，把鋼絲繩從槽口嵌入，擠壓錨頭卡在錨具側(cè)面將鋼絲繩錨住。
端部錨固砂漿采用環(huán)氧砂漿，強度高、硬化快；底部防護砂漿采用聚合物砂漿，應(yīng)具有較好的延性，不易出現(xiàn)橫向裂縫。
4、預(yù)應(yīng)力高強鋼絲繩加固設(shè)計計算方法
預(yù)應(yīng)力高強鋼絲繩加固梁體可按《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》中體外預(yù)應(yīng)力加固的方法進行計算。
4.1評估抗彎加固前梁體的極限承載力
《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)公式
式中，——橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，按公路橋涵的設(shè)計安全等級，一級、二級、三級分別取用1.1、1.0、0.9。
根據(jù)以上兩式以及橋梁結(jié)構(gòu)的截面特性計算出梁體的抗彎承載力Md。
4.2計算結(jié)構(gòu)當前承受的實際荷載
由橋上相應(yīng)構(gòu)件的材料容重及截面特性可計算其承受的恒載彎矩大小。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》計算各片梁橫向分布系數(shù)，由梁體的受力影響線求得汽車荷載在兩種產(chǎn)生的最大活載彎矩。按規(guī)范中“1.2恒載+1.4活載”進行荷載組合，可得到當前結(jié)構(gòu)所受最大彎矩設(shè)計值M0。
4.3計算需提高的抗彎承載力
若計算的極限抗彎承載力Md比荷載在跨中產(chǎn)生的最大彎矩M0小，則說明結(jié)構(gòu)承載能力不足，需要進行抗彎加固，兩者差值即為需要提高的抗彎承載力，ΔM=M0-Md
4.4計算需要的預(yù)應(yīng)力鋼絲繩數(shù)量
在梁底增加預(yù)應(yīng)力鋼絲繩將使混凝土受壓區(qū)高度增加，高度增加部分（Δx）混凝土對底部既有縱向受拉鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的合力點的彎矩即為提高的抗彎承載力。
4.5端部錨具設(shè)計
端部錨具尺寸根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼絲繩所受的拉力計算確定，扣除鋼絲繩孔道后的凈截面積須能滿足鋼絲繩所受拉力，根據(jù)梁底寬度和所需預(yù)應(yīng)力鋼絲繩根數(shù)，確定鋼絲繩的布置層數(shù)，進而確定錨具的截面尺寸。
5、預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固梁體施工工藝
預(yù)應(yīng)力高強鋼絲繩抗彎加固必須將鋼絲繩可靠地錨固于梁底，使鋼絲繩的拉力能夠傳遞到待加固混凝土梁上，有效提高混凝土梁的抗彎承載力，施工方法和工藝如下所述：
5.1端部錨具的制作
端部錨具由鋼絲繩根數(shù)和其承擔的拉力荷載專門設(shè)計。為確保預(yù)應(yīng)力鋼絲繩張拉與錨固的方便，其外側(cè)為開口形式，開口寬度比鋼絲繩直徑寬0.5mm，開口深度以能將鋼絲繩有效錨固為宜。錨具的厚度考慮焊接的需要，寬度由鋼絲繩的受拉力所需強度確定，長度根據(jù)梁底寬度確定。本工程中錨具槽口寬度為5mm，深度為10mm，單個錨具長度為74cm，寬度為5cm。錨具制作完成后將其焊在寬度較大的鋼板上。
5.2端部錨座的固定
按照設(shè)計要求，對梁端底板進行量測、放線，確定設(shè)置端部錨具的中心線位置。在梁底安裝端部錨座的中心線位置沿跨度方向刻槽，刻槽深度以能將錨具的錨固鋼板嵌入為宜，以使鋼絲繩與梁底盡量密貼。將刻槽位置打磨成粗糙的平面，并鉆孔植入全螺紋螺桿。打磨錨固鋼板的粘貼結(jié)合面，在鋼板結(jié)合面及處理好的混凝土表面上涂抹粘鋼膠，將鋼板粘貼在預(yù)定位置，立即緊固螺母將鋼板固定。待結(jié)構(gòu)膠達到設(shè)計強度鋼板粘貼牢固后，即可進行下一道工序。
5.3預(yù)應(yīng)力鋼絲繩下料與擠壓錨頭的制作
預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的下料長度要求極為嚴格，根據(jù)兩端端部錨具的間距及預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的工作應(yīng)力計算確定。梁底錨座安裝好后，用一根同規(guī)格的鋼絲繩作為基準鋼絲，根據(jù)基準鋼絲的張拉控制應(yīng)力與現(xiàn)場測量的實際引伸量的關(guān)系，精確確定鋼絲繩的無應(yīng)力下料長度。鋼絲繩下料是應(yīng)在拉緊但無應(yīng)力狀態(tài)下進行，下料長度應(yīng)控制在±3mm以內(nèi)。
擠壓錨頭為鋁合金雙孔套筒式，鋼絲繩在端部折成雙股后穿入擠壓錨頭內(nèi)孔，由專門設(shè)計的擠壓模具、擠壓機械對擠壓錨頭進行強力擠壓，使擠壓錨頭與鋼絲繩擠壓成一體。
5.4預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的張拉與錨固
預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的一端可直接穿入端部錨具的開口，另一端通過張拉器進行張拉。張拉長度滿足兩端的端部錨具間距時，將預(yù)應(yīng)力鋼絲繩從端部錨具的開口嵌入，對擠壓錨頭進行錨固。張拉時采用對稱的原則，從中間向兩側(cè)對稱進行，以防結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、側(cè)彎，一側(cè)與另一側(cè)的鋼絲繩數(shù)量之差不超過3根。
鋼絲繩張拉過程中要密切注意每根鋼絲繩的張拉應(yīng)力大小，拉應(yīng)力過大或過小都是不符合要求的。若張拉的鋼絲繩應(yīng)力超過設(shè)計控制張拉力很多才能錨固，則該鋼絲繩的下料長度過短，不符合要求；若鋼絲繩張拉應(yīng)力還沒有達到設(shè)計控制張拉力就可嵌入錨具凹槽內(nèi)，則該鋼絲繩下料長度過長，可加錨具外端加墊片進行調(diào)整。
5.5澆筑端部錨固砂漿和底部防護砂漿
端部錨固砂漿采用高性能環(huán)氧砂漿，強度高、硬化快；底部防護砂漿采用聚合物砂漿，具有較好的延性，不易出現(xiàn)橫向裂縫。在鋼絲繩全部張拉完畢并可靠錨固后，在端部錨具處涂抹錨固砂漿，在錨具之間的鋼絲繩位置梁底涂抹防護砂漿，將鋼絲繩及錨具覆蓋。砂漿涂抹完成后，在其表面涂刷一層與梁體顏色相近的涂料，以達到美觀效果。
6、結(jié)束語
6.1預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固梁體，克服了諸多抗彎加固方法的不足，并能有效提高結(jié)構(gòu)的剛度和抗彎承載力，是一種相對較好的加固方法，具有很好的應(yīng)用前景。
6.2由于鋼絲繩擠壓錨頭是在張拉施工前就制作好的，對其施加的預(yù)應(yīng)力靠鋼絲繩的伸長量控制，并且每根鋼絲繩的彈性模量不一定完全相同，即使其下料長度完全相同，還可能會使最終施加的預(yù)應(yīng)力與設(shè)計值存在偏差，若能將張拉端的錨頭和錨具進行改進，將使得這種方法更加完美。
