体外预应力技术在钢筋混凝土箱梁加固中的应用

２０１５年第５期　陈军军：体外预应力技术在钢筋７昆凝土箱梁加固中的应用　全桥个别梁体箱梁腹板、底板以及混凝土挡块　存在混凝土破损、露筋等病害；箱梁个别梁体腹板纵　向裂缝；部分端横隔板存在竖向、斜向裂缝等病害；　桥梁支座存在开裂、脱空及偏位等病害。　２．２病害成因分析　２．２．１箱梁病害成因　（１）箱梁主梁纵向裂缝与预应力管道偏位有　关，另外雨水腐蚀也是部分梁体该类型裂缝出现和　发展的因素之一。　（２）箱梁底板和腹板孔洞、混凝土剥落形成的　主要原因是混凝土不密实或保护层太薄，钢筋锈蚀　后膨胀导致的混凝土胀裂和脱落。　（３）箱梁腹板跨中附近存在左、右两侧的竖向　裂缝，部分底板存在横向裂缝，且个别腹板竖向裂缝　左右对称分布。引起桥梁病害的重要原因是桥梁自　身预应力度不足，同时裂缝的出现和发展导致结构　材料不连续，削弱了主梁截面，结构刚度降低。　２．２．２支座病害成因　（１）支座脱空主要是施工时安装就位不当所　致；　（２）支座开裂主要是由于支座安装不平整，或　在运营过程中受到反复的水平分力作用形成的；另　外，支座内部质量不均也是支座出现裂缝的可能原　因之一。　３　加固前结构验算　为定量地对该桥梁现有状况进行分析和评估，　采用Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ程序，建立杆系模型，模拟原桥结　构形式、预应力布置、支承方式、荷载作用等，并考虑　现在的病害、荷载情况、计入截面削弱、预应力损失　等，按多工况对桥梁进行结构分析，计算出在各种不　同情况下的截面应力情况，为该桥加固措施提供依　据。　３．１模型参数取值　模型中主要参数取值如表１。　３．２预应力损失计算　为计算出目前桥梁实际预应力大小，需要结合　荷载试验、现场调查以及《公路钢筋混凝土及预应　力混凝土桥设计规范》（ＪＴＧＤ６２—２０１２）　，并考虑　混凝土弹性压缩、力筋回缩、管道摩阻、力筋松弛、混　凝土收缩徐变等产生的预应力损失因素得出最终预　表１　原桥预应力筋模型计算参数取值　应力损失量，为后期加固验算分析提供依据。按照　原桥额外预应力损失为０％、１０％、１５％、２０％、２５％　进行计算，则短期效应下主梁下缘最小应力计算结　果如表２所示。　表２　不同预应力损失下主梁下缘应力　工况　１　２　３　４　５　预应力损失／％　ｏ　ｌＯ　１５　２０　２５　主梁下缘应力／ＭＰａ　０．７８　—０．６４　—１．３３　—２．０５　—２．７５　注：工况１：恒载＋不考虑预应力损失＋公路Ｉ级；　工况２：恒载＋考虑１０％的预应力损失＋公路Ｉ级；　工况３：恒载＋考虑１５％的预应力损失＋公路Ｉ级；　工况４：恒载＋考虑２０％的预应力损失＋公路Ｉ级；　工况５：恒载＋考虑２５％的预应力损失＋公路Ｉ级　从表２可以看出，随着考虑预应力损失的增加，　主梁截面下缘压应力逐渐减小，下缘受拉区域拉应　力逐渐增加。根据现行设计规范　，短期效应作用　下混凝土的抗拉强度值为１．８５５ＭＰａ；当考虑１５％　的预应力损失时，底板下缘拉应力强度值达到　１．３３ＭＰａ；当考虑２０％的原桥预应力损失时，梁底下　缘拉应力强度值达到２．０５ＭＰａ，大于规范规定的数　值１．８５５ＭＰａ的拉应力，故最终确定额外预应力损　失为２０％。　３．３桥梁当前结构验算　对当前桥梁结构进行验算，取最不利梁体的计　算结果作为控制要素，考虑到当前结构混凝土强度、　混凝土截面有效面积、钢筋有效面积，结构恶化系数　等影响，结合梁体内预应力钢绞线额外损失值为　２０％，按照公路Ｉ级荷载对全桥各跨各片梁进行检　算分析，最终检算结果见表３～表５。　表３　当前桥梁截面弯矩值（单位：ｋＮ・ｉｎ）　北　方　交　通　Ｔ　ｌ　２０１５年第５期　表４　当前桥梁截面剪力值（单位：ｋＮ）　措施改善桥梁的使用性能。　４　补强加固方案与结构验算　４．１体外预应力＋粘贴碳纤维布技术　考虑到原桥梁各跨梁体结构应力均不满足规范　表５　当前桥梁截面应力值（单位：ＭＰａ）　和使用要求，故对其进行“体外预应力＋粘贴碳纤　维布”进行加固，即通过箱梁两侧增设体外预应力　钢束并在腹板粘贴碳纤维布来恢复梁体承载能力。　采用预应力加固箱梁进行整体补强时，每片箱　梁腹板两侧各增设１束（１束４根钢绞线）体外预应　力钢绞线，每片箱梁共增设８根钢绞线。预应力钢　注：压应力为“＋”，拉应力为“一”。　束采用国家ＧＢ／Ｔ５２２４—２００３标准的‘Ｐ　１５．２ｍｍ无　结合表３一表５结果，并按照现行《公路桥涵设　粘结钢绞线，抗拉标准强度ｆ。　＝１８６０ＭＰａ，张拉控制　应力为　＝．　计通用规范》（ＪＴＧＤ６０－－２００４）的要求，现有桥梁结　构截面抗弯、抗剪承载力满足要求，荷载作用下结构　应力不能满足结构的使用要求，需采用相应的加固　ｌｌｌ６ＭＰａ。预应力锚固齿板、定位装　置均采用钢构件。体外预应力、腹板碳纤维布设计　方案如图３、图４所示。　（ａ）箱梁体外预应力加固立面图　（ｂ）箱梁体外预应力回固平面图　图３　体外预应力设计方案　ｌ州　　Ｅ　Ｅ弭　ｌ　Ｈ　酬　三　三三｜ｆ：　Ｈ　ｊ　１８５（，１７　７）　些蚕．　一越Ｌ　堂　弓螽业　７ｓ３．５　２５．蚰：２５１　。　笪。　１８５　（１７７　￣，　．暖Ｉ翻　鼹　删　　｝纤维布　’　ｎｎｎ　图４　腹板碳纤维布设计方案　在腹板粘贴碳纤维布选用的碳纤维布性能应满　足表６要求；相配套的粘贴碳纤维布粘浸胶采用Ａ　级胶　，其性能指标见表７。　４．２加固后结构验算分析　按照前述体外预应力＋粘贴碳纤维布加固法对　该桥梁进行加固，考虑到恒载、原桥预应力、新加预　２０１５年第５期　陈军军：体外预应力技术在钢筋混凝土箱梁加固中的应用　一２１一　表６　碳纤维布性能指标要求　项目　性能要求　性能等级　Ｉ级　抗拉强度标准值／ＭＰａ　≥３４００　弯曲强度／ＭＰａ　≥７Ｏ０　弹性模量／ＭＰａ　≥２．４×１０５　伸长率　≥１．７％　与混凝土正拉黏结强度／ＭＰａ　≥２．５，且为混凝土内聚破坏　表７　粘贴碳纤维布粘浸胶性能指标要求　应力、汽车活载等作用对加固后桥梁进行检算分析，　活载按公路Ｉ级荷载进行计算，按新规范对小箱梁　截面进行检算，取最不利梁体（外边梁最不利）的计　算结果作为控制要素，维修后桥梁结构按部分预应　力Ａ类构件控制，计算结果见表８～表ｌ０。　表８　加固后桥梁截面弯矩值（单位：ｋＮ・ｍ）　表９　加固后桥梁截面剪力值（单位：ｋＮ）　表１Ｏ　加固后桥梁截面应力值（单位：ＭＰａ）　注：压应力为“＋”，拉应力为“一”。　从表８～表１Ｏ可以看出，采用体外预应力＋粘　贴碳纤维的加固方法，加固后桥梁承载力、结构截面　抗弯、抗剪以及应力均能满足结构的使用要求。短　期效应下，箱梁顶、底板最大压应力为１０．４ＭＰａ，小　于１６．２ＭＰａ（即０．５ｆｏｋ，其中ｆｃｋ为Ｃ５０混凝土的轴心　抗压强度标准值３２．４ＭＰａ），满足规范　规定的预　应力混凝土构件最大压应力的要求，故采用体外预　应力的加固方法，加固后桥梁承载力、结构截面抗　弯、抗剪以及应力均能满足结构的使用要求。　考虑梁体体内预应力不损失的情况下，当梁体　施加体外预应力后，跨中截面在恒载作用下顶端最　上缘混凝土的最小应力为压应力（０．５５ＭＰａ），未出　现拉应力，结构处于安全状态。　５　梁体体外预应力补强施工　５．１体外预应力施工主要步骤　（１）按照设计图纸确定齿板和定位钢板的位　置，打磨齿板粘贴位置，并对打磨面进行清洁。　（２）严格按照设计图纸加工钢齿板和定位钢　板。　（３）进行齿板的试安装，并确定高强螺栓的位　置，然后进行钻孔和清孔工作。钻孔完毕要尽快进　行下一道工序，防止钻孔后梁体在长时间汽车荷载　作用下产生破坏，螺栓植入深度为≥１５ｅｒａ。　（４）安装齿板和定位装置钢板，并进行精确定　位。在对钢板进行高强螺栓植入时（螺栓植入深度　为≥１５ｃｍ），高强螺栓要加粘钢胶。对钢板进行紧　固时，螺母后加垫方形斜垫，要保证紧固螺母完全贴　实钢板。　（５）对钢绞线进行下料，然后去除张拉锚固区　的钢绞线护套，并清洗干净。　（６）安装预应力钢束和预应力锚具。预应力钢　束应外包高密度ＰＥ套管，并沿桥纵向每隔１．５ｍ将　ＰＥ管与梁体进行稳固连接。待粘贴齿板的粘钢胶　完全凝固后，张拉钢绞线。控制应力　…＝　１１１６ＭＰａ，初张拉应力０．１５盯…＝１６７．４ＭＰａ。预应　力张拉均要求采用伸长量与张拉力进行双控，以张　拉力为准。　①初张拉一梁两端同时先对千斤顶主缸充油，　使钢丝束略微拉紧，同时调整锚圈及千斤顶位置，使　孔道、锚具和千斤顶三者之轴线互相吻合，注意使每　根钢丝受力均匀，当钢丝达初应力０．１５　…时作伸　长量标记，并借以观察有无滑丝情况发生。　②张拉一采用两端同时逐级加压的方法进行，　一２２一　北　方　交　通　２０１５年第５期　两端千斤顶的升压速度应接近相等，张拉次序为：　Ｏ　１５％　０％一８０％一１００％，当两端达到最大张　（６）预应力张拉施工时注意对称、均衡张拉，单　片箱梁左右对称张拉，同时各片箱梁间两个外边梁　同时对称张拉，两个内梁同时对称张拉。　６结语　拉吨位时，鸣号，并继续供油维持张拉力不变，持荷　５　ｍｉｎ，锚固，然后两端回油至设计吨位，同时测量实　际伸长量是否与计算值相符。　（７）张拉完毕，切除多余钢绞线，加盖锚具防护　罩，并通过注油槽注入黄油，防止锚具及钢筋锈蚀。　５．２预应力施工控制要点　鉴于某箱型桥梁加固前结构应力验算结果不满　足规范和要求，提出“体外预应力＋粘贴碳纤维布”　的加固方案；通过加固前后桥梁结构验算，结果表　明，该加固方法可以有效提高桥梁结构承载力；文末　（１）用圆盘切割机（不能用电、气切割）对钢绞　详细介绍了梁体体外预应力补强施工方法和控制要　线切割，为避免脆性破坏，钢绞线、锚具应避免生锈　点，对同类工程具有参考意义。　及局部损伤。　参考文献　（２）体外预应力钢束采用两端张拉，两端应保　［１］李晓鹏．浅谈桥梁加固［Ｊ］．山西交通科技，２００３（增刊）：９８—　持同步。　９９．　（３）预应力张拉要求引伸量与张拉力双控并以　［２］李松辉，赵国藩，王松银．粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土预裂　试验研究［Ｊ］．土木工程报，２００５，３８（ＩＯ）：８９—９２．　张拉力为准。　［３］　庄江波．预应力ＣＦＲＰ加固钢筋混凝土梁的试验研究与分析　（４）预应力张拉前，应先按初应力（０．１５ｏｒ。。　）控　［Ｄ］．北京：清华大学，２００５．　制张拉一次。　［４］　中华人民共和国交通部．ＪＴＧＤ６２—２０１２公路钢筋混凝土及预　（５）预应力钢束张拉完毕，应按照施工规范　应力混凝土桥设计规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１２．　利用切割机把多余钢绞线切割，严禁撞击锚头和钢　［５］　中华人民共和国交通部．ＪＴＧ／ＴＦ５０—２０１　１公路桥涵施工技术　束。　规范『Ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１１．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｘｔｅｒｎａｌ　Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｓｉｍｐｌｅ　Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｂｏｘ　Ｂｅａｍ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ＣＨＥＮ　Ｊｕｎ－ｊｕｎ　（Ｓｈａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｏ　ｓｏｖｌｅ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｂｏｎｄｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ｏｒ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ　ｂｒｉｄｇｅ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ａ　ｂｏｘ—ｔｙｐｅ　ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ”ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＋ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｓｈｅｅｔ（ＣＦＳ）”ｔｏ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｂｅａｍ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ａ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ．，ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｗ　ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｙ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；Ｂｏｘ　ｂｅａｍ；Ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＣＦＳ