歐 陽 明

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，湖北 武漢 430051)

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體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

歐 陽 明

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，湖北 武漢 430051)

介紹了體外預(yù)應(yīng)力的特點(diǎn)，從線形、錨固塊、轉(zhuǎn)向塊、定位和防震裝置等方面，闡述了體外預(yù)應(yīng)力的設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)，并以某高速公路連續(xù)箱梁橋?yàn)楸尘?，探討了體外預(yù)應(yīng)力的加固計算方法，驗(yàn)證了體外預(yù)應(yīng)力加固的有效性。

預(yù)應(yīng)力，連續(xù)箱梁，加固技術(shù)，防震裝置

1 體外預(yù)應(yīng)力簡介

體外預(yù)應(yīng)力混凝土是將具有專門防腐蝕保護(hù)層的預(yù)應(yīng)力鋼筋布置在梁體的外部(或箱內(nèi))，鋼束張拉后，錨固在梁端或中間橫梁上。施加體外預(yù)應(yīng)力常用于在役橋梁加固工程中。

采用體外預(yù)應(yīng)力加固，是具有較好的“主動加固”效果的方法。在眾多的橋梁加固技術(shù)中，只有體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以在不改變原橋梁結(jié)構(gòu)形式的前提下增加橋梁的承載能力，大幅度改善結(jié)構(gòu)的安全性能。通過在橋梁結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)施加體外預(yù)應(yīng)力，使其產(chǎn)生與原橋的不利彎矩方向相反的軸向壓力和彎矩，以抵消部分自重應(yīng)力減小活載應(yīng)力，從而提高橋梁的承載能力。

2 體外預(yù)應(yīng)力力學(xué)分析

體外預(yù)應(yīng)力的力學(xué)圖式與一般意義上的預(yù)應(yīng)力技術(shù)并無根本區(qū)別，以正截面抗彎承載力計算為例，其力學(xué)圖如圖1所示。

加固結(jié)構(gòu)抗彎承載力計算時，應(yīng)根據(jù)截面形狀和中性軸的位置分兩種情況考慮。

(1)

(2)

(3)

(4)

為確保加固后的混凝土梁仍為塑性破壞，式(1)～式(4)中的截面受壓區(qū)高度x應(yīng)滿足如下條件：

x≤ξbhs或x≤ξbhp

(5)

(6)

其中各符號意義和參數(shù)取值可參考JTG/T J22—2008公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范相關(guān)章節(jié)。

3 體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計

完整的體外預(yù)應(yīng)力的設(shè)計包括體外預(yù)應(yīng)力加固計算，體外束布置(線形設(shè)計)、體外束轉(zhuǎn)向塊設(shè)計、體外束錨固塊設(shè)計、體外束定位、防震裝置設(shè)計和體外束防腐設(shè)計等等。其中體外預(yù)應(yīng)力加固計算是首當(dāng)其沖的工作。根據(jù)之前對體外預(yù)應(yīng)力的力學(xué)圖式分析，因其與一般意義上的預(yù)應(yīng)力技術(shù)在力學(xué)圖式方式上沒本質(zhì)區(qū)別，使得用橋梁博士等橋梁計算軟件分析體外預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)件成為可能。其難點(diǎn)在于，如何較為精確的測算加固前體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的損失程度和需要增加的體外預(yù)應(yīng)力束的多少。

如果條件允許，在原橋成橋之初就布置了測量永存預(yù)應(yīng)力的應(yīng)變片，可以實(shí)時監(jiān)控預(yù)應(yīng)力值，上述問題便變得簡單；否則，可以通過裂縫分析法和撓度分析法來反算預(yù)應(yīng)力損失度。其基本原理為：裂縫分析法，對被加固結(jié)構(gòu)橫向裂縫進(jìn)行統(tǒng)計和分析，過濾因偶然因素引起的裂縫張開后，取其中位數(shù)，假定其為預(yù)應(yīng)力損失引起的原結(jié)構(gòu)裂縫從而推斷其預(yù)應(yīng)力損失程度；撓度分析法，對被加固結(jié)構(gòu)下?lián)狭窟M(jìn)行觀測，取跨中附近撓度中位數(shù)，減去成橋之初時的實(shí)際撓度，假定其為預(yù)應(yīng)力損失引起的原結(jié)構(gòu)下?lián)狭繌亩赐破漕A(yù)應(yīng)力損失程度。預(yù)應(yīng)力損失程度的推斷是一個不斷假定、試算和綜合考慮的結(jié)果。

3.1 體外預(yù)應(yīng)力線形設(shè)計

體外預(yù)應(yīng)力一般布置在箱梁內(nèi)，體外束跨中附近沿箱梁底板內(nèi)側(cè)布置，在分跨點(diǎn)附近，沿箱梁頂板內(nèi)側(cè)布置；在橫向，體外束靠近腹板兩側(cè)布置；在錨固端，體外束集中在箱梁橫隔板或新增的錨固塊上布置。體外束在線形上為空間三維曲線，應(yīng)盡量避免豎彎和平彎同時存在的情形。典型的體外束布置形式如圖2，圖3所示。

在跨中附近，梁高相對較低時，體外束施工相當(dāng)困難，應(yīng)盡量順直布置，不宜起彎；在墩頂錨固區(qū)，為體外束集中區(qū)，特別是通過束和錨固束在此處與橫隔板同時發(fā)生關(guān)系，體外束每束直徑超過10 cm時，很容易發(fā)生體外束“干擾”情形，因此，在空間布置時，應(yīng)充分考慮體外束之間的距離和體外束布置的直徑。

3.2 體外預(yù)應(yīng)力錨固塊和轉(zhuǎn)向塊設(shè)計

體外束錨固塊有錨固在墩頂橫隔板和錨固在邊跨底板兩種情形體錨固塊。在力學(xué)圖式上為一端或兩端固定的懸臂桿件，因而錨固塊與原結(jié)構(gòu)結(jié)合面部位承受很大的彎矩，需要同時計算錨固本身和原結(jié)構(gòu)錨固區(qū)的受力情況；錨固塊其他部位處于局部承壓狀態(tài)。

體外束轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計尤為關(guān)鍵，特別是轉(zhuǎn)向塊為混凝土構(gòu)件時，在轉(zhuǎn)向部分，體外束產(chǎn)生較大的水平和豎向分力，混凝土承受拉應(yīng)力非常有限，容易產(chǎn)生裂縫，造成結(jié)構(gòu)的二次破壞，應(yīng)計算其抗拉承載能力和抗剪承載能力，計算時應(yīng)忽略混凝土對拉應(yīng)力的貢獻(xiàn)。

體外束錨固塊和轉(zhuǎn)向塊通過植筋技術(shù)與原結(jié)構(gòu)結(jié)合，對植筋的抗拉承載力在設(shè)計時應(yīng)加以限制。

3.3 體外預(yù)應(yīng)力定位和防震裝置設(shè)計

因體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的特殊性，體外束與原結(jié)構(gòu)梁體在錨固區(qū)和轉(zhuǎn)向區(qū)處，體外束和原結(jié)構(gòu)梁體之間可產(chǎn)生自由的相對運(yùn)動，在活載作用下，體外束更易發(fā)生變形、預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生徐舒等效應(yīng)，因此，體外束的自由長度超過10 m時即應(yīng)設(shè)置定位裝置(見圖4)，還應(yīng)每隔一定距離設(shè)置防震裝置。典型的體外束防震裝置見圖5。

4 工程實(shí)例

以某高速公路特大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，對體外束加固計算進(jìn)行分析。

4.1 原設(shè)計主橋上部結(jié)構(gòu)基本情況

主橋上部結(jié)構(gòu)為(40+2×60+40)m連續(xù)箱梁，預(yù)應(yīng)力混凝土

變截面箱梁，箱形斷面為單箱單室，采用C50混凝土，底寬7.6 m，跨中梁高1.7 m，支點(diǎn)梁高3.4 m，梁底為二次復(fù)曲線，邊孔梁端10 m范圍為現(xiàn)澆段，該段梁高1.7 m。主墩箱梁采用掛籃懸臂施工法，箱梁依次按(2×2.5+3×3.0+3×3.5+4.0)m分段施工，中間合龍段長1.5 m，共分為17個節(jié)段。全橋?yàn)槿A(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。

單幅橋面寬13.25 m。

荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽—超20，掛—120。

4.2 模型建立

檢測試驗(yàn)報告指出，該橋底板、腹板下緣、上緣裂縫較多，初步判斷為預(yù)應(yīng)力損失所致。經(jīng)過試算、分析，選取以下三個模型進(jìn)行計算。

Ⅰ：原設(shè)計模型。Ⅱ：在原設(shè)計基礎(chǔ)上，頂板束預(yù)應(yīng)力損失5%，腹板、底板束預(yù)應(yīng)力損失20%。Ⅲ：在模型Ⅱ基礎(chǔ)上布置體外預(yù)應(yīng)力束。橋梁模型如圖6所示。

4.3 計算結(jié)果匯總

計算結(jié)果見表1～表5。

表1 承載能力極限狀態(tài)

表2 全橋正壓應(yīng)力最大值 MPa

表3 全橋正拉應(yīng)力最大值(壓為正，拉為負(fù)) MPa

4.4 計算結(jié)果分析

由以上計算結(jié)果分析可知，原橋預(yù)應(yīng)力損失(頂板預(yù)應(yīng)力損失5%，底板預(yù)應(yīng)力損失20%)后，全橋正常使用極限狀態(tài)不滿足規(guī)范要求，底板下緣最大拉應(yīng)力達(dá)2.4 MPa，在此工況下箱梁必將產(chǎn)生裂縫，而且會隨著各種偶然因素影響繼續(xù)開展，也與檢測試驗(yàn)報告的結(jié)果是相一致的；拉體外束后，主橋各方面指標(biāo)有了較顯著的改善，特別在正常使用極限狀態(tài)下，底板下緣不產(chǎn)生拉應(yīng)力，且有2.7 MPa～4.8 MPa的壓應(yīng)力儲備，為全橋安全運(yùn)營提供了一定的安全儲備。

表4 全橋主壓應(yīng)力最大值 MPa

表5 全橋主拉應(yīng)力最大值(壓為正，拉為負(fù)) MPa

5 結(jié)語

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是一種靈活的主動加固技術(shù)，相對于其他常規(guī)的橋梁加固措施，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以主動改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，大幅度改善結(jié)構(gòu)的安全性能。本文以橋梁加固工程實(shí)例為背景，介紹了體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)介紹了體外預(yù)應(yīng)力加固計算對結(jié)構(gòu)應(yīng)力指標(biāo)改善的情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了體外預(yù)應(yīng)力加固的有效性，對類似的橋梁加固工程有著一定的參考價值。

On key technical analysis of external prestressed design

Ouyang Ming

(HubeiCommunicationsPlanningInstitute,Wuhan430051,China)

The paper introduces the features of the external prestress, illustrates the key points for the design of the external prestress from the linear, anchor block, deviator, positioning and seismic equipment, explores its consolidation calculation methods by taking the continuous box girder as the background, and proves it is effective.

prestress, continuous box girder, consolidation technique, seismic equipment

1009-6825(2016)22-0159-03

2016-05-29

歐陽明(1981- )，男，碩士，工程師

U448.35

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