張新

（吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院，吉林 長春 130021）

體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在某橋梁簡支梁中的算例分析

張新

（吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院，吉林 長春 130021）

結(jié)合實際工程介紹了體外預(yù)應(yīng)力加固簡支梁在工程中的應(yīng)用。結(jié)果表明，體外預(yù)應(yīng)力加固簡支梁可以有效地提高結(jié)構(gòu)的承載能力，同時也提高了結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)。驗算結(jié)果直觀可信，可為今后類似工程提供參考。

體外預(yù)應(yīng)力；橋梁加固；設(shè)計；簡支梁；承載力

1　工程概況

某鋼筋混凝土簡支T形梁橋原設(shè)計荷載為汽車-13級、拖車-60，橋面凈寬為凈-7 m+2×0.75 m人行道，跨徑為22.2 m，計算跨徑為21.8 m，橫向由5片梁組成，中間不設(shè)橫隔板，橫斷面見圖1。

圖1　簡支梁橫斷面圖（單位：cm）

2　主梁截面特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)力計算［1-3］

2.1面特性計算

計算跨徑為21.8 m，梁間距b1為1 600 m m。根據(jù)截面尺寸，可以計算得到截面面積A為388 200 m m2，重心距下緣距離yb為917 m m，截面抗彎慣性矩Io為7 347 506×104m m2，截面下緣抵抗矩為Wx= 80.125×106m m3，截面上緣抵抗矩為Wx=169.688× 106m m3，截面抗扭慣性矩J為：

J=（1/5）×（1/3）×8 000×1103+0.302×1 240× 1803=289 383×104m m4

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)力計算

2.2.1橫向分布系數(shù)計算

結(jié)構(gòu)由橫向5片預(yù)制T形梁且無橫隔板組成的簡支結(jié)構(gòu)，參考李國豪《公路橋梁荷載橫向分布計算》計算其荷載橫向分布系數(shù)。主梁的抗彎與抗扭剛度的比例參數(shù)γ:

主梁與橋面板抗彎剛度比例參數(shù)β：

由此，可以計算出各梁的荷載橫向分布系數(shù)，汽車荷載：1號梁及5號梁橫向分布系數(shù)0.475，人群荷載：1號梁及5號梁橫向分布系數(shù)0.761；汽車荷載：2號梁及4號梁橫向分布系數(shù)0.475，人群荷載：2號梁及4號梁橫向分布系數(shù)0.314；汽車荷載：3號梁橫向分布系數(shù)0.452，人群荷載：3號梁橫向分布系數(shù)0.054。

2.2.2主梁內(nèi)力值計算

恒載標(biāo)準(zhǔn)值：加固前跨中彎矩903.7 kN·m，加固后跨中彎矩903.7 kN·m；加固前支點剪力165.8 V（kN），加固后支點剪力165.8 V（kN）；

人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值:加固前跨中彎矩118.7 kN·m，加固后跨中彎矩118.7 kN·m；加固前支點剪力21.8 V（kN），加固后支點剪力21.8 V（kN）；

汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值:加固前跨中彎矩453.2 kN·m，加固后跨中彎矩702.0 kN·m；加固前支點剪力0 V（kN），加固后支點剪力205.0 V（kN）。

3　加固前驗算

3.1加固前承載能力極限狀態(tài)計算

一般取彎矩最大的跨中截面進(jìn)行正截面承載力計算。在已知受拉鋼筋中，632的面積為4 826 m m2。616的面積為1 206 m m2，=280 M Pa，見圖2，可求得為：

則實際有效高度h0=1 350-105=1 245 m m。同時已知主梁混凝土等級相當(dāng)于C25，查得fsd=11.5 M Pa，fsd=1.23 M Pa。

圖2　鋼筋布置圖（單位：mm）

3.2正截面承載力計算

根據(jù)截面配筋情況，可求得正截面抗彎承載力Mu為：

另外加固提載后，跨中截面彎矩設(shè)計為2 386.7 kN·m＞M。，因此，原截面配筋能夠滿足原荷載等級汽車-13級、掛車-60的要求，但是不能滿足公路-Ⅱ級的荷載等級要求。

3.3體外預(yù)應(yīng)力筋面積估算及布置

體外預(yù)應(yīng)力筋截面面積估算：按構(gòu)件正截面抗裂性要求估算預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量對于A類部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，根據(jù)跨中截面抗裂性要求，由式可得跨中截面所需的有效預(yù)加力為：

Ms=MG+0.7MQ+MR=1 513.8 kN·m

設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋截面重心距截面下緣ap=60 m m，則預(yù)應(yīng)力鋼筋的合力作用點至截面重心軸的距離為ep=yb+ap=977 m m；在進(jìn)行鋼筋估算時，截面性質(zhì)近似取全截面的性質(zhì)來計算，跨中截面全截面面積A=388 200 m m2，全截面對抗裂驗算邊緣的彈性抵抗矩為Wx=80.125×106m m3；所以有效預(yù)加力合力為：

體外預(yù)應(yīng)力的張拉控制應(yīng)力為1 209 M Pa，簡支梁體外預(yù)應(yīng)力筋按直線布置，其預(yù)應(yīng)力損失相對體內(nèi)曲線筋較小，按張拉控制力的15%估算，則可得需要預(yù)應(yīng)力鋼筋的面積為：

體外預(yù)應(yīng)力筋布置：采用斜撐式體外預(yù)應(yīng)力筋加固方式，既能明顯提高跨中斷面的抗彎能力，又能改善斜撐內(nèi)斷面的抗剪能力，預(yù)應(yīng)力施工又很方便，其中，水平筋采用8根無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力筋長度為16 300 m m；斜撐采用槽形鋼，見圖3。

圖3　體外預(yù)應(yīng)力筋布置圖（單位：mm）

預(yù)應(yīng)力效應(yīng)計算：根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力筋的布置形式，本算例體外預(yù)應(yīng)力損失中應(yīng)考慮：錨具變形、鋼束回縮和接縫壓密引起的預(yù)應(yīng)力損失、分批張拉引起的構(gòu)件混凝土彈性壓縮預(yù)應(yīng)力損、鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失終極值，另外，還應(yīng)考慮溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失。

（1）錨具變形、鋼束回縮和接縫壓密引起的預(yù)應(yīng)力損失σl2：

（2）溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失:當(dāng)鋼筋外露且與梁體混凝土無黏結(jié)，且外界環(huán)境溫度高于施工張拉溫度時，由于鋼筋與混凝土的線膨脹系數(shù)不同，將引起預(yù)應(yīng)力鋼筋中的應(yīng)力損失。取年最高溫度與施工溫度之差為At=25℃，則溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失為：

（3）分批張拉引起的構(gòu)件混凝土彈性壓縮預(yù)應(yīng)力損失

對多根主梁組成的橋梁進(jìn)行體外索加固，當(dāng)采用分批張拉時，分批張拉順序可由中梁開始，逐步向兩側(cè)邊梁對稱張拉，亦可由一側(cè)邊梁開始，逐片張拉。無論采用哪種張拉順序，張拉后面的各梁時，通過橫隔板的傳遞作用，都將對先張拉各梁產(chǎn)生彈性壓縮，引起張拉各梁的加固筋的預(yù)應(yīng)力損失。工程上可采取對現(xiàn)場鋼筋超張拉或是重復(fù)張拉的辦法，調(diào)整各梁的預(yù)加力，使得各梁最后的實際有效預(yù)加力基本相等。因此，經(jīng)過超張拉或重復(fù)張拉工藝，可以認(rèn)為分批張拉損失σl4近似為零。

4　加固后持久狀況截面承載能力極限狀態(tài)

4.1正截面承載力計算

（1）計算受壓區(qū)高度：受壓區(qū)高度驗算。

則實際有效高度ho=1 350-32=1 318 m m。求得正截面抗彎承載力Mu為

跨中截面正截面承載力滿足要求。

（2）斜截面抗剪承載力計算

體外索加固的T形截面的受彎構(gòu)件，驗算截面處剪力的組合設(shè)計值Vd=564.9 kN；對于鋼絞線γfs=1.47；fcu，k為混凝土強(qiáng)度等級為25 M Pa；腹板厚度b=180 m m，截面有效高度h0=1 245 m m；體外預(yù)應(yīng)力筋（束）在豎直平面內(nèi)的彎起角度θe=24°。對于橋，由于水平筋和斜筋采用了不同的材料，體外斜筋拉力與水平筋拉力比例系數(shù)按下式計算。

顯然，截面尺寸滿足抗剪要求。

4.2抗裂性驗算

抗裂驗算：對于A類體外預(yù)應(yīng)力混凝土加固結(jié)構(gòu)，在作用短期效應(yīng)組合作用下的混凝土拉應(yīng)力應(yīng)滿足《公路橋梁加固設(shè)計技術(shù)規(guī)范》（JTG/T J22-2008）中A類部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件按短期效應(yīng)組合計算的抗裂要求，同時，A類體外預(yù)應(yīng)力混凝土加固構(gòu)件還必須滿足作用長期效用組合的抗裂要求。因此，構(gòu)件滿足《公路橋梁加固設(shè)計技術(shù)規(guī)范》（JTG/T J22-2008）中A類部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件按長期效應(yīng)組合計算的抗裂要求。

4.3主梁變形（撓度）計算

據(jù)主梁抗裂性計算結(jié)果可知，主梁在使用荷載作用下截面不開裂。主梁計算跨徑L=21.8 m，C25混凝土的彈性模量E。=2.8×104M Pa。為了簡化計算，其全截面慣性矩進(jìn)行計算。將可變荷載作用簡化為均布荷載作用在主梁上，則主梁跨中撓度系數(shù)，荷載短期效應(yīng)的可變荷載值為M。=601.1 kN·m。由可變荷載引起的簡支梁跨中截面的撓度為7 347 506×104m m。

4.4持久狀況應(yīng)力驗算

為簡化計算截面抵抗矩取全截面進(jìn)行驗算。應(yīng)力計算的作用（或荷載）取標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載計人沖擊系數(shù)?？缰薪孛婊炷辽线吘墘簯?yīng)力計算值為：

持久狀況下跨中截面混凝土正應(yīng)力驗算滿足要求。

5　結(jié)語

對于中小跨徑的橋梁，鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋是應(yīng)用最廣泛的橋型。目前，國內(nèi)外所采用的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋，絕大部分采用裝配式結(jié)構(gòu)。裝配式鋼筋混凝土簡支梁的常用跨徑為8.0～20 m，當(dāng)跨徑超過20 m時，一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁。體外預(yù)應(yīng)力筋（束）加固簡支梁橋布置方式，由于簡支梁橋其受力性能明確，其病害也多為跨中截面承載力不足而導(dǎo)致，為此，不同主梁截面形式的加固體系各有特點，施工難易程度亦不盡相同，但就其發(fā)展趨勢而言，多為在梁底沿橋梁縱、橫向張拉或梁頂沿斜筋方向張拉。常用加固體系大致可以分為四類：其一，水平筋和斜筋由兩根粗鋼筋組成。斜筋與滑塊固定，通常張拉水平筋牽動斜筋受力。斜筋的上端可以錨固在梁頂，也可以錨固在腹板上；其二，水平筋和斜筋由一根鋼索組成，一般采用鋼絲繩、鋼絲束或鋼絞線?？梢允謩雍J張拉水平筋，亦可以千斤頂在梁頂張拉斜筋；其三，斜桿采用剛度較大的槽鋼并與楔形滑塊構(gòu)成一體，水平筋可以用粗鋼筋、鋼絲繩、鋼絞線或高強(qiáng)鋼絲束，采用張拉水平筋的方式對梁體施加預(yù)應(yīng)力；其四，橫橋向張拉水平筋，水平筋錨固在梁截面兩側(cè)的高強(qiáng)螺栓型鋼板上。上述四類加固體系及六種情況，除第四類外，盡管錨固形式、張拉方式及所用材料不同，但在計算超靜定內(nèi)力時均采用統(tǒng)一的計算模型，而在預(yù)應(yīng)力損失計算時則應(yīng)考慮各自的構(gòu)造特點。

［1］劉華，朱利明，張軍雷，等.體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土橋的鋼結(jié)構(gòu)錨固轉(zhuǎn)向體系研究［J］.橋梁建設(shè)，2010（5）:28-31，42.

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U445.7+2

B

1009-7716（2016）09-0142-03

2016-06-14

張新（1978-），男，吉林長春人，高級工程師，從事路橋設(shè)計工作。