張新
(吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jì)院,吉林 長春 130021)
結(jié)合實(shí)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(shí)也提高了結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)。驗(yàn)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(jì);簡支梁;承載力
某鋼筋混凝土簡支T形梁橋原設(shè)計(jì)荷載為汽車-13級(jí)、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(jì)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)
2.1面特性計(jì)算
計(jì)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(jì)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(jì)內(nèi)力計(jì)算
2.2.1橫向分布系數(shù)計(jì)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(jì)算》計(jì)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(jì)算出各梁的荷載橫向分布系數(shù),汽車荷載:1號(hào)梁及5號(hào)梁橫向分布系數(shù)0.475,人群荷載:1號(hào)梁及5號(hào)梁橫向分布系數(shù)0.761;汽車荷載:2號(hào)梁及4號(hào)梁橫向分布系數(shù)0.475,人群荷載:2號(hào)梁及4號(hào)梁橫向分布系數(shù)0.314;汽車荷載:3號(hào)梁橫向分布系數(shù)0.452,人群荷載:3號(hào)梁橫向分布系數(shù)0.054。
2.2.2主梁內(nèi)力值計(jì)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(diǎn)剪力165.8 V(kN),加固后支點(diǎn)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(diǎn)剪力21.8 V(kN),加固后支點(diǎn)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(diǎn)剪力0 V(kN),加固后支點(diǎn)剪力205.0 V(kN)。
3.1加固前承載能力極限狀態(tài)計(jì)算
一般取彎矩最大的跨中截面進(jìn)行正截面承載力計(jì)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(shí)際有效高度h0=1 350-105=1 245 m m。同時(shí)已知主梁混凝土等級(jí)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(jì)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(jì)為2 386.7 kN·m>M。,因此,原截面配筋能夠滿足原荷載等級(jí)汽車-13級(jí)、掛車-60的要求,但是不能滿足公路-Ⅱ級(jí)的荷載等級(jí)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(duì)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(diǎn)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(shí),截面性質(zhì)近似取全截面的性質(zhì)來計(jì)算,跨中截面全截面面積A=388 200 m m2,全截面對(duì)抗裂驗(yàn)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(duì)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(jì)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(shí),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(duì)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(shí),分批張拉順序可由中梁開始,逐步向兩側(cè)邊梁對(duì)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(shí),通過橫隔板的傳遞作用,都將對(duì)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(duì)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(shí)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。
4.1正截面承載力計(jì)算
(1)計(jì)算受壓區(qū)高度:受壓區(qū)高度驗(yàn)算。
則實(shí)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(jì)算
體外索加固的T形截面的受彎構(gòu)件,驗(yàn)算截面處剪力的組合設(shè)計(jì)值Vd=564.9 kN;對(duì)于鋼絞線γfs=1.47;fcu,k為混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(duì)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(jì)算。
顯然,截面尺寸滿足抗剪要求。
4.2抗裂性驗(yàn)算
抗裂驗(yàn)算:對(duì)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(jì)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(jì)算的抗裂要求,同時(shí),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(jì)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(jì)算的抗裂要求。
4.3主梁變形(撓度)計(jì)算
據(jù)主梁抗裂性計(jì)算結(jié)果可知,主梁在使用荷載作用下截面不開裂。主梁計(jì)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(jì)算,其全截面慣性矩進(jìn)行計(jì)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(yàn)算
為簡化計(jì)算截面抵抗矩取全截面進(jìn)行驗(yàn)算。應(yīng)力計(jì)算的作用(或荷載)取標(biāo)準(zhǔn)值,汽車荷載計(jì)人沖擊系數(shù)。跨中截面混凝土上邊緣壓應(yīng)力計(jì)算值為:
持久狀況下跨中截面混凝土正應(yīng)力驗(yàn)算滿足要求。
對(duì)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(shí),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(diǎn),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(dòng)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?dòng)葫蘆張拉水平筋,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(duì)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(jì)算超靜定內(nèi)力時(shí)均采用統(tǒng)一的計(jì)算模型,而在預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算時(shí)則應(yīng)考慮各自的構(gòu)造特點(diǎn)。
[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.
[2]黃民元.體外預(yù)應(yīng)力加固的關(guān)鍵技術(shù)[J].工程抗震與加固改造,2011(4):101-104.
[3]高丹盈,房棟,祝玉斌.體外預(yù)應(yīng)力FRP筋加固混凝土單向板受彎性能及承載力計(jì)算方法 [J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2015(1): 115-126.
U445.7+2
B
1009-7716(2016)09-0142-03
2016-06-14
張新(1978-),男,吉林長春人,高級(jí)工程師,從事路橋設(shè)計(jì)工作。