楊媛媛

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)加固中設(shè)計(jì)研究分析

楊媛媛

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)具有施工簡單、結(jié)構(gòu)可靠、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),在新建的橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。大量的舊橋由于鋼筋銹蝕以及超載等因素的影響,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或變形過大,或者由于公路橋梁荷載提級的要求需要進(jìn)行加固。介紹體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)造、體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置配筋設(shè)計(jì)及質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)措施。

橋梁；體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)；錨固系統(tǒng)

1　概述

體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)主要包括：體外預(yù)應(yīng)力孔道管、漿體、體外鋼束、錨固系統(tǒng)、預(yù)應(yīng)力筋減振系統(tǒng)、預(yù)應(yīng)力筋的轉(zhuǎn)向裝置。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)經(jīng)過近20多年的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了兩種主要體系。體系一：將鋼絞線穿入孔道管內(nèi)進(jìn)行鋼絞線的張拉，鋼絞線張拉完成后，將孔道內(nèi)灌入水泥漿，這種方法稱為有黏結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系；體系二：體外預(yù)應(yīng)力筋由若干單根無黏結(jié)筋組成，將單根無黏結(jié)筋平行穿入孔道內(nèi)，在張拉無黏結(jié)筋之前，先完成灌漿工藝，由水泥漿體將單根無黏結(jié)筋定位，然后進(jìn)行無黏結(jié)筋的張拉。這種體系稱為無黏結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系。

體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)中各組成部分一般應(yīng)滿足如下要求：

（1）體外預(yù)應(yīng)力筋宜選用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其性能應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224-2014）的規(guī)定，如體外預(yù)應(yīng)力筋為無黏結(jié)的體外預(yù)應(yīng)力筋還應(yīng)符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）第7.10節(jié)的要求。

（2）體外預(yù)應(yīng)力筋的其他材料（保護(hù)套、防腐漿體等）應(yīng)符合現(xiàn)行國家、行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，防腐油脂質(zhì)量應(yīng)符合《無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋專用防腐潤滑脂》(JG 3007-93)的規(guī)定，水泥基漿體質(zhì)量應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204-2002)的規(guī)定）。

（3）防腐蝕材料的耐久性與體外束所處的環(huán)境類別和使用年限一致；防腐蝕材料在加工、運(yùn)輸、安裝、張拉工程中應(yīng)具有穩(wěn)定性、柔性，不產(chǎn)生裂縫，在所要求的溫度范圍內(nèi)不流淌，不對鋼絞線產(chǎn)生腐蝕作用。

（4）體外預(yù)應(yīng)力束外套管和連接接頭，應(yīng)完全密閉防水，套管應(yīng)能承受1 MPa的內(nèi)壓，在使用期內(nèi)具有良好的耐久性。

（5）轉(zhuǎn)向塊的偏角制造誤差應(yīng)小于1.20，安裝誤差應(yīng)小于±5%，否則應(yīng)采用可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向塊。

隨著新技術(shù)和新材料的發(fā)展以及對耐久性能認(rèn)識的深化，國內(nèi)外知名的預(yù)應(yīng)力體系如國內(nèi)OVM體系、瑞士的VSL體系、法國的Freyssine體系等通過研發(fā)與工程實(shí)踐，不斷地提升體外預(yù)應(yīng)力體系的質(zhì)量，帶動了體外預(yù)應(yīng)力在橋梁加固工程中的發(fā)展和提高[1]。

2　體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)造

2.1體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的錨固系統(tǒng)

體外預(yù)應(yīng)力錨固體系主要由錨具、錨固塊及鋼墊板等組成。錨固體系一般可以分為可更換式和永久式兩大類。

2.2體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的減振系統(tǒng)

梁體與體外筋的振動特性是體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)研究的一個重要問題。由于體外預(yù)應(yīng)力筋僅通過轉(zhuǎn)向塊和錨固端向混凝土梁體施加預(yù)應(yīng)力并傳遞加載過程中力的變化，而在轉(zhuǎn)向塊之間未受到約束，故同體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋不同，它將產(chǎn)生獨(dú)立于梁體的變形和振動。研究體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)振動特性的目的，主要是研究在動力荷載作用下進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，保證梁體自振頻率、體外預(yù)應(yīng)力筋的固有頻率與外動力荷載的頻率不同，避免三者產(chǎn)生共振[2]。體外預(yù)應(yīng)力加固梁的振動涉及兩方面的內(nèi)容：梁體的振動；體外預(yù)應(yīng)力索的振動。

2.3體外預(yù)應(yīng)力筋的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的體外預(yù)應(yīng)力筋的轉(zhuǎn)向裝置是一種特殊的構(gòu)造，除了錨固系統(tǒng)外，它是體外預(yù)應(yīng)力筋在梁跨內(nèi)唯一與預(yù)應(yīng)力受力結(jié)構(gòu)有聯(lián)系的構(gòu)件，承擔(dān)著體外索的轉(zhuǎn)向功能，是體外預(yù)應(yīng)力橋梁中最重要、最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)造之一。體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋必須通過轉(zhuǎn)向塊改變預(yù)應(yīng)力筋的方向，從而形成預(yù)應(yīng)力折線筋。轉(zhuǎn)向塊由于受較大的集中力及與預(yù)應(yīng)力筋的摩擦力，受力較復(fù)雜。根據(jù)作用形式的不同，轉(zhuǎn)向裝置的傳載模式分為兩種基本形式：一是承壓型，主要以壓力的形式將體外索的荷載傳遞給原結(jié)構(gòu)，一般用于矩形、T形梁和箱梁的橫向加固；二是剪切型，主要是以剪力的形式將體外索的荷載傳遞給原結(jié)構(gòu)，一般用于箱梁的縱向加固。

3　體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)

3.1轉(zhuǎn)向裝置配筋設(shè)計(jì)

在混凝土梁橋的設(shè)計(jì)計(jì)算中，國際工程界趨向于將結(jié)構(gòu)劃分為B區(qū)和D區(qū)分別對待。B區(qū)是指截面應(yīng)變分布基本符合平截面假定的結(jié)構(gòu)區(qū)域，它們的截面應(yīng)力狀態(tài)可以通過內(nèi)力得出。在未開裂時，截面應(yīng)力可借助于截面特性（如面積、慣性矩等）來計(jì)算；開裂后，則可應(yīng)用桁架模型來分析。D區(qū)是指截面應(yīng)變分布呈現(xiàn)明顯非線性的結(jié)構(gòu)區(qū)域，這些部位具有幾何構(gòu)造上的不連續(xù)或力流受撓動的特點(diǎn)，在我國目前的混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，主要針對混凝土梁橋的B區(qū)，按受彎構(gòu)件來設(shè)計(jì)，其正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的計(jì)算均以截面分析為基礎(chǔ)，對于混凝土梁橋的D區(qū)設(shè)計(jì)問題，幾乎沒有涉及[3]。橋梁工程的實(shí)踐表明，由于D區(qū)在幾何構(gòu)造和受力上的復(fù)雜性，加上缺乏規(guī)范的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，使得憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的D區(qū)常常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。同濟(jì)大學(xué)徐棟、長沙理工大學(xué)李傳習(xí)等，應(yīng)用拉壓桿模型進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力橋梁轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)分析及配筋的設(shè)計(jì)研究，其主要思路是：采用有限元法對轉(zhuǎn)向體系進(jìn)行空間應(yīng)力分析，獲得其應(yīng)力分布特點(diǎn)，指出結(jié)構(gòu)的D區(qū)；根據(jù)力流傳遞形式，結(jié)合拉壓桿模型方法，建立轉(zhuǎn)向體系拉壓桿配筋計(jì)算模型；根據(jù)配筋計(jì)算模型，并考慮裂縫寬度限制要求，對拉桿進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，對壓桿和結(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，確定結(jié)構(gòu)的幾何尺寸；由于體外預(yù)應(yīng)力筋的轉(zhuǎn)向點(diǎn)一般與兩端錨固點(diǎn)不在同一豎直平面內(nèi)，轉(zhuǎn)向點(diǎn)承受由張拉預(yù)應(yīng)力筋引起的豎向分力與水平力，當(dāng)不計(jì)體外預(yù)應(yīng)力筋與套管之間的摩擦損失時，在張拉力F作用下，體系的受力如圖1所示。對于受拉型塊式轉(zhuǎn)向裝置，可能出現(xiàn)三種破壞模式：箍筋的受拉破壞；力筋套管上層鋼筋產(chǎn)生的梁作用破壞；水平力Q沿套管下方產(chǎn)生的剪切破壞。根據(jù)其受力特點(diǎn)及破壞機(jī)理，得出其拉壓桿模型，如圖2所示。

圖1　轉(zhuǎn)向塊受力示意圖

圖2　轉(zhuǎn)向塊的拉壓桿計(jì)算模型

3.2鋼結(jié)構(gòu)錨固轉(zhuǎn)向體系構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.2.1錨固體系

鋼結(jié)構(gòu)形式的體外預(yù)應(yīng)力錨固體系主要由底座鋼板、橫隔板、傳力鋼板、加勁鋼板、錨墊板、鋼管、黏貼鋼板、錨栓以及灌注型黏結(jié)鋼膠等組成。根據(jù)橋梁構(gòu)造、安裝位置和體外預(yù)應(yīng)力需要的不同，鋼錨箱的構(gòu)造形式也不同，經(jīng)過仿真分析和多個加固工程的實(shí)踐、完善，鋼錨箱可以相互融合，根據(jù)橋跨構(gòu)造、安裝位置和預(yù)加力的需要另行設(shè)計(jì)。因此，鋼結(jié)構(gòu)錨固體系的使用范圍非常廣泛。

3.2.2轉(zhuǎn)向體系

鋼結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)向體系由轉(zhuǎn)向支架、轉(zhuǎn)向器和連接措施組成。轉(zhuǎn)向支架形式是比較常用的方式，包括了箱梁內(nèi)凈高1.0～3.5 m、體外預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)向和通過2～10束的情形，其中，E類為直接在頂、底板的梗腋用型鋼連接，適用于箱梁高度較低的情況。由于體外預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)梁橋時，一般需要新增的轉(zhuǎn)向位置是處于橋跨的1/4～1/2處，墩頂位置可借助于橫隔板實(shí)現(xiàn)，也可根據(jù)需要另行設(shè)計(jì)。其中，各類轉(zhuǎn)向器構(gòu)造和外觀尺寸基本相同，內(nèi)部構(gòu)造尺寸根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線的線形設(shè)計(jì)；與既有橋跨的連接措施主要是尺寸和錨栓數(shù)量不同；轉(zhuǎn)向支架則由于箱形截面尺寸、體外預(yù)應(yīng)力鋼束穿過束數(shù)和位置多變，以及施工工人現(xiàn)場通過的需要，結(jié)構(gòu)形式變化較大。

3.2.3質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)措施

在進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力張拉施工時，需要對鋼結(jié)構(gòu)錨固轉(zhuǎn)向體系進(jìn)行安全性和可靠性方面的監(jiān)控。與轉(zhuǎn)向體系相比，錨固體系因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、承受荷載較大，需對其重點(diǎn)監(jiān)控。錨固體系試驗(yàn)監(jiān)控的內(nèi)容：監(jiān)控目標(biāo)值，通過仿真分析獲?。辉囼?yàn)實(shí)測值，通過在現(xiàn)場安裝傳感器獲取。建立錨固體系的仿真分析模型，如圖3所示。模型的構(gòu)造及尺寸與實(shí)際應(yīng)用的相同，無簡化處理，包括鋼錨箱、黏貼鋼板、灌注膠、螺桿和梁體混凝土部分，其中除螺桿用三維梁單元外，其他材質(zhì)均為20節(jié)點(diǎn)塊單元。分析時應(yīng)用子模型技術(shù)，即先進(jìn)行全橋整體分析，然后將邊界條件引入到子模型中。利用仿真分析模型，首先對錨固體系的承載力進(jìn)行檢驗(yàn)，例如在設(shè)計(jì)預(yù)加力張拉鋼絞線至55%標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的作用下，分別考慮底面鋼板與原結(jié)構(gòu)之間膠體理想?yún)⑴c工作和完全退出工作兩種狀態(tài)，各個螺桿分配到的剪力和拔力，而實(shí)際單個螺桿的抗剪和抗拔承載力通過試驗(yàn)獲取分別為100 kN和50 kN。同樣考慮螺桿理想?yún)⑴c工作和完全退出工作兩種狀態(tài)，膠體承受的最大剪切應(yīng)力同樣小于其容許剪切應(yīng)力。

4　結(jié)語

體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)中新型鋼結(jié)構(gòu)錨固轉(zhuǎn)向體系與鋼筋混凝土錨固轉(zhuǎn)向塊相比具有較多的優(yōu)勢。根據(jù)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，結(jié)合仿真分析和現(xiàn)場監(jiān)控可知，新型鋼結(jié)構(gòu)錨固轉(zhuǎn)向體系安全可靠，但現(xiàn)場施工要嚴(yán)格遵循合理的施工工藝和步驟，并在體外預(yù)應(yīng)力鋼束張拉過程中實(shí)施監(jiān)控。

圖3　仿真模型及錨栓內(nèi)力

[1]范秀君.石咀橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2012.

[2]許威.連續(xù)剛構(gòu)橋體外預(yù)應(yīng)力加固關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2013.

[3]胡彥君.重載鐵路橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固法的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué),2015.

U445.7+2

B

1009-7716（2016）10-0068-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.021

2016-06-28

楊媛媛（1979-），女，安徽宿松人，高級工程師，從事道路橋梁設(shè)計(jì)工作。