砼旧桥加固改造的横张体外预应力技术(公路工程).doc

砼旧桥加固改造的横张体外预应力关键技术*收稿日期：2009-11-12
作者简介：朱世峰（1983.09- ），男，安徽砀山人，工学硕士，工程师，主要从事桥梁新材料、新结构与新技术研究。

朱世峰1，唐中波2
(1.中铁大桥局武汉桥梁科学研究院，武汉，430034；2.四川路桥建设股份有限公司,成都，610034）
摘要：基于目前体外横张预应力研究现状，以调控连续刚构桥跨中后期挠度为例，对其施加预应力进行调控的时机和预应力束横向张拉空间进行了探索性研究。
关键词：体外预应力；横张预应力；调控时机；张拉空间；挠度；桥梁
中图分类号:U445.7+1；U448.23；U448。35 文献标识码：A
The Key Technology of Vertically Tensioned External Prestress in the Reinforcement and Reconstruction of Old Bridge
ZHU Shi—feng 1,TANG Zhong—bo 2
（1。 Bridge Science Research Institute Ltd.， China Zhongtie Major Bridge Engineering Group， Wuhan， 430034；
2. Sichuan Road & Bridge Co.,Ltd,chengdu，610034；）
Abstract: Based on the displacement of vertically tensioned prestressed techniques to reinforce the old bridge， take regulating the mid—span deflection of rigid frame bridge for example， the regulation time and stretching space were investigated and demonstrated。
Keywords: external prestressing;vertically tensioned prestressing；regulation time;stretching space；deflection;bridge
1 概述
桥梁在建造和使用过程中，由于种种原因，许多桥梁建筑物过早出现各种各样的缺陷和病害，其严重地制约了社会经济发展。据不完全统计，我国公路桥梁中有5000多座危桥，1994年铁路秋检统计，全路桥梁总数的18.8％为病害桥梁，而且这个比例还将进一步上升。若要将其全部拆除重建，不仅资金耗费巨大，而且时间也不允许.采取有效措施对其进行加固改造以恢复和提高其承载能力，则可以给国家带来巨大的经济效益。［1］～［6]
近年来,伴随着桥梁技术状况评定、结构检测与承载力评定技术的逐步定量化、科学化，桥梁的维修加固技术取得了长足发展.许多新材料、新方法被应用于桥梁维修加固工作中.[1］～［8]目前的加混凝土类和加筋类加固方法各有其不同程度的弊端阻碍了其推广应用。[3][4］本文结合横张体外预应力技术加固改造新方法，以调控连续刚构桥运营期中跨跨中下挠为例进，分析了其关键技术中尚未解决的调控时机及张拉空间问题。
2 既有体外预应力技术
目前公路桥梁改造工程中采用较多的体外预应力加固法，由于体外索的力臂大，加固效果显著，已成为应用最广泛的方法之一。[1］[3]但其存在的下述弊端阻碍了其更进一步的推广。针对大跨度连续刚构桥后期挠度过大的病害，[5]［7]采用体外预应力来调节后期下挠的缺点如下：
(1）现有技术中，通过对体外拉索两端施加拉力，实施两端锚固。此纵向张拉需要大吨位张拉设备、预应力损失较大且对连续刚构桥只能在主梁箱内张拉,操作空间受限；施工工艺复杂，技术要求高;很难多次适时实施体外预应力的有效调控。以上缺陷在一定程度上影响了对连续刚构病害问题的有效处理。
（2）一般体外束锚固和转向装置采用现浇混凝土齿板和横隔板。而在原有箱梁内部浇筑混凝土很不方便；对于1/4中跨附近腹板抗裂需要布置较多的斜束，而需较多的转向装置，而笨重的混凝土转向横隔板对已有结构本身就是负担，给加固效果打了较多的折扣；频繁地设置横隔板给箱内施工也带来很大的难度;由于转向装置设置不易，故一般采用大束进行加固，这样混凝土局部构造难以处理.一些加固案例就是因为局部构造难以处理而不能采用更多的体外束用量[7］.
结合重庆交通大学周志祥教授于1994年提出“横张预应力混凝土梁”的构想［4]［9]，重庆交通大学吴海军副教授、周志祥教授等人于2008年提出了“体外横张预应力”概念，同时进行了可行性分析、特定的布束方案定量计算、张拉控制及预应力损失研究。［4][7］［10］此新型体外横张预应力技术能够适用于较大跨径连续钢构桥，仅需便携的较小吨位的张拉设备，就能根据连续钢构桥后期挠度的逐渐增大状况，多次适时实施体外预应力的相应调控、施工工艺简单，避免分批张拉产生的弹性压缩损失和拉索与转向块之间摩擦产生的预应力损失，如图1.［4]［7][10]并可推广其思想至简支梁及连续梁桥应用。但其在诸如调控时机及张拉空间等问题上亟需解决。
图1横张体外预应力结构示意图（连续刚构桥中的应用）
Fig 1 External vertically Tensioned prestress structure diagram ( for continuous rigid bridge)
3 横张体外预应力调空时机分析
3.1调控时机的定性探讨
如图2所示,虚线部分为理论计算的跨中挠度-时间曲线，实线部分为不可预期因素产生的非计算的跨中挠度值,因此为了使最终所产生的跨中挠度不超出我们预期的跨中挠度，我们必须在适时监控的基础上,对不可预期的额外部分的挠度值进行修正，使其在一定时间内恢复到我们预期的曲线上来，如图中在成桥后5年、10年、15年、20年,监测得到跨中实际挠度比理论挠度分别增加了△y1、△y2、△y3、△y4。
假设在第5年的时候，通过监测发现跨中产生了非计算位移增量△y1,即可通过调整备用体外索张力，使跨中上拱，消除非理论位移增量△y1，使的此时结构的位移恢复到理想状态(即通过计算得到的位移)上来.这样通过在各年的适时监控与调整,使跨中挠度始终在预期范围内,不至于使非计算位移△y产生积累，将有效控制跨中下挠病害。
图2调控原理示意图
Fig 2 Schematic of control
综上可知，此方法和桥梁日常维护、监测紧密相关，故需适时实时监测,以发现非理论位移增量，尽早对其进行处理。
如何准确计算病桥实际的受力状态,是决定加固方案制定的基础。目前,对于此类病桥的计算方法通常是以理想设计状态模型为基础,考虑已有病害因素(折减截面刚度、指定预应力损失及扩大徐变年限等)，由于病害影响程度一般是人为假定，使理论计算结果与桥梁实际受力状态偏差较大.无法对桥梁承载力进行准确评价，进而影响加固方案的制定。
3.2调控时机计算方法探索
该法以桥梁实测挠度为基础,通过位移影响矩阵，建立由于预应力长期损失与主梁下挠的关系。通过求解非线性约束优化问题，识别非确定性损失大小及分布.进而计算由于此类损失对桥梁内力的影响，以期能够确定结构的真实受力状态。由于连续刚构桥的跨中下挠过程中，都伴随着跨中底板裂缝的产生和发展（也既是预应力储备消散的一个过程），所以在这里大胆的提出以桥梁跨中下缘应力时,作为横张调控的时间点。此理论既通过长期的挠度观测所得数据来分析当前桥梁状态,以连续刚构桥跨中下缘应力作为张拉时机.由于该理论分析方法未用于工程实例经行检验，但以后可通过大量的工程实例完善和发展.
计算原理及方法：弹性变形和由于损失引起的结构内力改变量导致的徐变变形两部分。当第Tj组预应力钢筋损失比=1时，该组预应力钢筋失效，引起主梁第位置的弹性变形和徐变变形分别为及，其表达式为：
（1）
（2）
式中，、为单位力作用在点时，主梁处的弯矩和轴力；、为第根预应力钢筋发生失效时，主梁处的弯矩和轴力；、为由于徐变产生的结构次内力；、为徐变系数和按龄期调整的有效模量。如果全桥共含组预应力钢筋，假定第组预应力钢筋的非确定性预应力损失比为，则主梁第位置的下挠为:
（3）
将式(4)改写成矩阵形式，可以得结构下挠与非确定性预应力损失关系：
（4）
在通常的理论计算当中，内力及变形一般是按照实际的施工过程进行线性叠加,考虑了预应力的确定性损失和收缩、徐变效应。假定通过理论计算，成桥N年后，结构的变形为,则考虑预应力的非确定性损失因素后，结构的变形，为：
（5）
如果由于预应力的非确定性损失因素结构内力影响矩阵分别为、、, ，那么成桥N年后，考虑预应力的非确定性损失因素结构内力、为：
（6）
(7）
由式(6）、式（7）可知，如果求得考虑预应力的非确定性损失比后，就可以确定桥梁结构实际的受力状态.
关于非确定性损失的内力及变形影响矩阵，可以采用有限元方法或结构力学方法，在计算模型中施加反向预应力荷载，同时考虑徐变效应，计算相应的变形和内力。由于其计算中，未考虑预应力损失及其它病害的影响，计算结果一般小于实测值。如果理论变形与实测变形差值为，假设此部分变形均由非确定性预应力损失造成，则可通过差值来反推出非确定性预应力损失比，此类问题可以采用有约束条件的最小二乘法或非线性数学规划方法求解。
用位移向量与 差的范数来描述它们之间的逼近程度,记为
（8)
当时，表示与最大程度地逼近.将式（9)展开，化成目标函数标准形式为：
（9)
式中,；，，由于，为第根预应力钢筋的非确定性预应力损失系数,不能任意取值，其取值范围为：
0≤≤1 (10）
式（11)即为目标函数的约束条件。
当=0时，表示该预应力钢筋未发生非确定性损失；当=1时，表示该组钢束有效预应力全部发生了非确定性损失，即该预应力钢筋失效。
然后将采用上述方法计算得到的每根预应力束的值，引入该桥梁模型中，计算出该桥跨中应力值，因为连续刚构桥是超静定结构,挠度过大，很难调整，所以提出了在底板产生拉应力前进行横张预应力调控。在这里大胆的设定当也即底板下缘出现拉应力时为调控的时机，对连续刚构桥施加横张预应力。
4 横张体外预应力束张拉空间分析
常规体外预应力束的布置与横张体外预应力束布置的区别是:常规体外预应力束的伸长率要满足设计要求，只要在体外预应力束两端施加一定的张拉控制应力就能实现。而横张体外预应力束在伸长率要满足设计要求，需要一定的张拉空间。若横张体外预应力束布置时，未考虑该因素将影响其施工.故需探讨横张体外预应力束的布置问题。
连续刚构桥0＃块高度为跨中合拢段的箱内空间高度的5～8倍，再结合横张体外预应力在连续刚构桥的布置，可知其倾斜直线段的夹角很小，一般为4°~12°。［5］伸长率的变化
主要发生在倾斜直线段的横向张拉形成两倾斜直线时，既伸长率为。如图3,
横张体外预应力布束时，尚需确定L0和,据此可确定的变化值对伸长率为的影响。反之也可确定的变化值对伸长率为的影响。
图3 伸长率的计算示意图
Fig 3 Schematic of the calculation of elongation ξ
由图3可知：，，
根据正弦定理： （11)
， （12）
又 （13）
令 = (为伸长率) (14)
将（11）和（12)、(13）代入(14）整理的：
（15）
又 且
则有 〉0 (16）
即在为定值时，是随着增大而增大.故可通过张拉控制应力、施工方案所确定的伸长率及横张体外预应力束布置时确定的，来确定。使其满足伸长率的要求，从而确定横张体外预应力所需要的布置空间.
根据连续刚构桥中跨的箱梁内空间特点和横张预应力布束要求,的取值在2°～6°之间，的取值在2°～8°之间，故可按式(15）计算出由和变化所导致的伸长率变化值及规律,见图4。
图4 和对伸长率的影响
Fig 4 The impact of and for elongation
从图4可以看出,伸长率随增大而增大，伸长率随的增大而增大。即:当一定时，要使横张预应力钢筋的伸长率满足设计要求,必须>；同理，当一定时，要使横张预应力钢筋的伸长率满足设计要求，必须〉（其中，就是上最小张拉角就是下最小张拉角)。综上，在预应力布束时，应结合、灵活的选择下弯点位置。
5 结论
对既有体外预应力技术进行了综述性分析，探讨了横张体外预应力束的调控时机，并给出了调控时机的计算方法。同时,探讨了预应力束张拉空间，理论分析了其上下张拉角度与张拉空间的关系，进一步完善了横张体外预应力体系,亦可供设计参考。
参考文献
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[10］唐中波,朱世峰，吴海军。体外横张预应力在连续刚构桥后期挠度调控中的应用［J].施工技术，2009。38（S2）:260-263。
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