体外横张预应力技术在混凝土旧桥加固改造中的应用.pdf

总第 3期 体外横张预应力技术在混凝土 旧桥加 固改造 中的应用 2 1 体外横 张预应力技术在 混凝 土 旧桥加 固改造 中的应用 朱世峰 ， 唐 中波。 ( 1 ． 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ； 2 ． 四川路桥建设股份有限公司 ， 四川 成 都 6 1 0 0 3 4 ) 摘要 -针对 目前 在役桥梁病害 ， 在分析 常规 体外预应 力技术优 、 缺 点的基础 上 ， 提 出应 用体外横 张预 应力技 术对 旧桥加固改造的新构思， 并以调控某连续刚构桥运营期中跨 跨 中下挠工程实际为例 ， 对该构思进行论 证分 析。 关键词 ： 桥 梁加 固； 体外预应力 ； 体外横张 预应力 ； 施工 技术 1 概述 在建造和使用过程 中， 由于种种原 因， 许多桥梁 过早出现各种各样 的缺陷和病害 ， 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 5 o o o 多座危桥。1 9 9 4年铁路秋 检统计 ， 全路 桥梁 总数的 1 8 ． 8 为病 害桥梁 ， 而且 这个 比例还在 上 升。若要将病害桥梁全部拆除重建 ， 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 ， 可 以给国家带 来 巨大的经济效益l_ 1 卅] 。 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E 1 - T J 。 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l 3 ] 。本文在结合现有体外预应力及 横张预应力技术优点的基 础上 ， 提 出了一种体外横 张预应力技术加 固改造新方法 ， 并 以其在调控连续 刚构桥运营期中跨跨 中下挠为例， 对此新技术进行 了分析论 证 。 2 已有加固改造技术分析 目前公路桥梁改造工程中采用较多的加 固方法 为体外预应力加固法 。由于体外束 的力臂大， 加 固 效果显著 ， 已成为应用 最广泛 的方法之 一L 引。但 其存在的弊端阻碍了其更进一步的推广。采用体外 预应力来调节桥梁后期下挠的缺点有 ： ( 1 )体外预应力加固法通过对体外束两端施加 拉力 ， 实施两端锚固。这种纵向张拉方式 ， 需要大吨 位的张拉设备 ； 预应力束 与转 向块之间的摩擦将导 致较大的预应力损失( 平均损失约 4 0 ％张拉控制应 力) ； 对于连续刚构桥 ， 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 ； 随着连续刚构 桥后期挠度 的逐渐增大 ， 由于纵向张拉预应力损失 大， 很难多次适时实施体外预应力的有效调控 。 ( 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， 这一做法存在的问题 ： ① 在原有 箱梁内部 浇筑混凝 土很不方便 。② 布置不灵 活。 在 1 ／ 4 跨 附近， 腹板抗裂需要布置较多的斜预应力 束 ， 这需要较多的转向装置 ， 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 。③ 由于转向装置不易设置 ， 故一般采用 较大直径预应力束进行加 固， 这样混凝土局部构造 难 以处理 ； 一些加固桥梁案例就是 因为局部构造难 以处理而不能采用更多的体外束用量[ 7 ] 。 3 体外横 张预 应力技术的新构 思 鉴于 目前普通体外预应力存在的不足， 有必要 探索出一种新型预应力体 系， 能够适用于较大跨径 连续刚构桥加 固改造 ， 且仅需要便携的较小吨位的 张拉设备 ， 就能根据连续 刚构桥后期挠度 的逐渐增 大状况 ， 多次适时实施体外预应力的相应调控， 避免 分批张拉产生的弹性压缩损失和预应力束与转 向块 之间摩擦产生的预应力损失。 3 ． 1 横张预应力梁的基本原理 收稿 日期 ：2 0 0 9 — 1 1 —1 6 作者简 介：朱世峰( 1 9 8 3 一) ， 男 ， 助理工程师 ， 2 0 0 5年毕业于西南交通大学工程力学专业， 工学学 士， 2 0 0 8年毕业 于重庆交通 大学桥梁与隧道 工程专业 ， 工学硕士 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 桥梁检测与加固 2 0 0 9年第 2 期 “ 横张预应力混凝土梁” 的构想于 1 9 9 4年提出， 它的预应力施加原理为 ： 以梁底为反力承压面， 竖向 张拉预应力钢束， 在对梁体施加竖直向上荷载的同 时 ， 使混凝土梁获得所需的预应力lI g 。 3 ． 2 体外横张预应力新构思 横张预应力用于体内预应力时 ， 施工中存在钢 束安装较繁琐 、 为适应横向张拉要求 ， 需要在普通钢 筋构造上进行特别处理。而这些不足却正是一般体 外预应力的主要优点 。因此， 如果能够将二者结合 ， 形成一种布置在梁体外部 、 而采用横向张拉 的预应 力方式( 称为体外横张预应力 ) ， 将能有效克服二者 的缺点。由于其具有的基本优点 ， 使得它非常适宜 于连续刚构桥梁的后期变形调整 。根据连续刚构桥 的结构特点及体外横张预应力的构造要求 ， 其 调整 连续刚构桥梁变形及 内力的原理见图 1 。图 1中预 应力钢束在横向张拉前用虚线表示 ， 横向张拉后用 实线表示， 通过调整张拉行程的大小可以调节张拉 力的大小， 从而控制跨中上拱值的大小 。只要满足 传力需要， 转向块的构造可以做得尽量小 ， 以减轻 自 重及工程量。张拉杆、 垫块、 钢束夹等是张拉及锚固 时需要的部件 ， 保护罩 的主要作用是 防止外界水汽 等物质对锚具 的腐蚀。 桥墩 桥墩 皇 堕旦 登茎 垫 图 1 体 外横 张预应力结构示意 ( 连 续刚构桥 中的应用 ) 3 ． 3 体外横张预应力优点 横张法施工体外预应力集已有的预应力施工技 术的主要优点于一体 ， 全面兼顾 了良好的使用性、 施 工的简易性及用料的经济性 ， 具有很好的综合技术 经济效益 。体外横张预应力的优点有 ： ( 1 )改传统的沿预应力筋纵向张拉为沿垂直于 预应力筋的方 向张拉 ， 所需横向张拉力仅为常规纵 向张拉力的 1 ／ 7 ～1 ／ 5即可达到同等的预应力效果。 ( 2 )改常规预应力混凝土的多次重复工序为一 次性工序， 简化了工艺及张拉设备 ， 提高了预应力施 工工作效率和张拉操作 的安全度 ， 保证 了预应力混 凝土的质量 。 ( 3 )调控操作方便 ( 需要张拉力小 ， 张拉设备轻 便) ， 避免了单根钢绞线分次张拉产生的弹性压缩损 失和非均匀性 。 ( 4 )取消常规体外预应力技术所必需的下转向 块构造 ， 避免了由预应力束与下转向块 间的摩擦产 生 的预 应力 损 失 ， 可使 有 效 预应 力 提 高 1 5 ～ 2 O ， 相应的张拉控制应力可降低到 0 一．厂 口 【k 以下 ， 力筋 明显提高了钢束张拉的安全储备， 且简化施工、 节省 材料 、 减轻结构 自重、 提高负载能力 。 ( 5 )横向张拉换向器可采用固定卡与拉索固定 连接的结构 ， 配合 张拉杆和锁 紧装置， 结构简单 ， 施 工方便 ， 便于随时调整预应力 。 4 工程算例 4 ． 1工程概 况 某大桥 ( 图 2 ) 主桥 跨径 布置 为 ( 1 1 o +2 0 0 + 1 1 0 )m， 边跨与主跨 的比值为 L1 ／ L=0 ． 5 5 。主梁采 用单箱单室箱梁 ， 箱梁顶宽 1 2 ． 0 m， 箱 梁底 宽 6 ． 0 1 T I ， 单侧悬臂宽 3 ． 0 12 2 ； 跨中箱梁高 4 ． 0 1 T I ， 墩顶根部 箱梁高 1 2 ． 5 in ， 梁高按半立方抛物线变化； 跨中箱 梁底板厚 3 6 c m， 墩顶根部底板厚 1 5 0 c m， 底板厚度 按二 次抛物线 变化 ； 箱梁腹 板厚度采用 5 0 ， 6 2 ． 5 ， 7 5 c m三个级 别， 边跨箱梁腹板从合龙段到梁端 由 5 0 c m增加到 9 0 c m， 主梁 0号块腹板厚度 为 1 2 0 c I n 。按有利施工、 缩短悬臂浇注周期 、 降低施工钢 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 篁 篓 i ； ； ； = ； =； i ；； 垄 塑 旧 桥 加固 改 造中 的 应 用 原则 ， 主梁悬臂 浇注 梁段 长度共 划分为 3 5 ’ ， 5 m 三 种 节 段 ， 最 大 悬 臂 浇 注 27 3 ． 6 t 。 ⋯ 一 一 专 采 用 双 肋 式 柔 性 薄 壁 墩 ， 两 肋 间 净 距6 ． o ： 横 桥 向 宽 度 与 主 桥 箱 梁 底 板 同 宽 ， 蕞 。 0 。 1 7 ．1 。每个 主墩均设置承 台 ，承 台 下 鑫 根 群 桩 基 础 ， 桩径均为 2 5 0 C m o ⋯一 ． 梁施工时中跨跨中底板崩裂 ，跨中下挠6 ． 8 ： 行 加固 分析 设计， 探讨 体外 横张预 应 力 加 固设计的特 点及在实际桥梁加固中应用 2 3 中跨跨 中下挠病害， 体外横张预应力 束形式 ： 中跨布置 1 6根预应 ， 亨 各 8 束 ， 分 别 通 过 左 右 侧 转 向 板 。 三 二 ．1 5 2 钢 绞 线 ， 在 粱 端 。 号 块 锚 固 及 跨 ； 磊 隔 板 处 锚 固 。 张 拉 控 制 应 力 取 为 ‰ ： H 6 ： 懋 麓 的 控 制 目 标 要 求 ， 预． 应, -- 力 j 张 拉 顺 序 ： 妻 规 外预应力的方法纵向施加 o ．1 8 ： 张 ； 委 用 横 张 体 外 预 应 力 的 方 法 竖 0 ．4 2 k 的张拉力 一⋯ ～ ， 算 雩 用 桥 梁 博 士 V 3 ． o 分 析 程 序 。 各 墩 底 节 喜 妻 自 由 度 ，两 边 跨 只 约 束 2 个 自 由 壶 荐 桥 分 成 1 8 7 个梁单元 。其中主梁采 1 横张预应力布置示意 图 4 结构计算模型 4 3 1 纵张后的主梁变形和应力 预应力钢束纵 向张拉后 ，张拉控制应力 n 0 - 6 5 tk 时 ， 预 应 力 损 失 考 虑 为 损 失 2 o ％ 吾 力 + 可知 ， 施加 纵向体外 预应力后 中跨跨中 篓 位 移 最 大 为 1 ． 5 c m ， 边 跨 跨 中 呈 釜 蒿 在 移 最 小 为 ■ O 9 7 c m 。 即 施加纵向 二cH o~k 上 t_ 4．u - ， 边 跨 下 挠 ， 但 边 跨 下 挠 值 不 j ‘ ： 中上缘应力增 量为一0 ． 1 l P ， 下 芋 4 5 M P a 。 下 缘 应 力 从 中 跨 L ／ 4 3 L ／ 4 量为压应力 ， 其他 区段的应 o ～ 。 上缘应力的应力增量基本为 ，范 围为 O ～ 1 M Pa ⋯ ～ ～ 匕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 桥梁检测与加固 2 0 0 9 年第 2 期 目 耀 节点号 ( b )主 梁应力增量 图 5 预应力纵 向张拉对主梁挠度和应力的影 响 4 ． 3 ． 2 横张后主梁变形及应力 施加体外横张预应力后 ， 主梁位移和应力变化 如图 6 所示。 1 O ． 0 0 8 ． 0 0 6 00 4 ． 0 0 2 ，0 0 0 ． O0 2 ． 0 0 4 ．0 0 ( a ) 主梁挠度 图 6预 应 力 横 向张 拉 对 主 梁 挠 度 和 应 力 的影 响 由图 6 可知 ， 施加体外横张预应力后 ， 中跨跨 中 主梁竖向位移最大为 5 ． 1 1 c m 边跨跨 中主梁竖 向 位移最小为一O ． 8 9 C I T I 。即施加体外横张预应力后 ， 中跨上拱， 边跨下挠 ， 但边跨下挠值不到 1 c m。同 时 ， 中跨跨 中上缘应力增量为一0 ． 1 5 MP a ， 下缘应 力增量为 8 ． 8 MP a 。下缘应力从 中跨 L ／ 4至 3 L ／ 4 段应力增量为压应力 ， 其他区段 的应力增量为 0 ～ 1 ． 9 MP a 。上缘应力增量基本为压应力 ， 应力增量 范围为 O ～2 ． 7 MP a 。 施加体外横张预应力后， 中跨跨 中在最不利组 合下的上 、 下缘最大最小应力( 图 7 ) 均有所减小 ， 上 缘应力为 0 ～1 1 ． 8 MP a 压应力， 下缘应力为 1 ． 9 ～ 1 4 ． 1 MP a 压应力 ， 满足规范要求。 1 0 重s - R ： 2 一 1 6 1 4 1 2 l O - 、 R 8 氇6 4 2 节点号 ( a )下缘 图 7 施加横张预应力前后 最不 利组合下 的主梁应力 4 ． 4 加固实施 该桥加固时， 先纵 向张拉调整桥梁的应力和挠 度到一定理想值 ， 有效预应力取为 0 ． 1 8 f p ， 主梁应 力有了很大改善。在运营期 因交通量增大或其他因 素导致预应力不足时 ， 可采用体外横张预应力技术 加以调控 ， 用较小的代价达到很好的效果 ， 且施工方 便 、 经济 ， 具有较强的工程实施性 。 5 结语 针对 目前在役桥梁病害， 在分析常规体外预应 力技术优、 缺点的基础上， 提出了新型体外横张预应 力加固方法 。并以某连续刚构桥跨 中下挠加固改造 为例 ， 验证了横张预应力方法的可行性。其加 固施 工期间首次张拉采用常规纵 向张拉技术 ， 并已满足 结构需要 ， 对其后期运营 中的横 向张拉技术连续调 控主梁挠度 、 应力的可行性进行了论证 。结果显示 ， 体外横张预应力施工快捷、 方便 、 经济且可实现桥梁 的连续调控 。 参考文献 ： [ 1 ] 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司．混凝 土桥梁加固理论研究E R ] ．2 0 0 8 ． 趾 垦 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 3期 体 外横张预应力技 术在混凝土旧桥加 固改造 中的应用 2 5 [ 2 ] 王国鼎， 袁海庆， 陈开利．桥梁检测与加固[ M] ．北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 3 陈开利， 王邦楣， 林亚超．桥梁工程鉴定与加固手册 [ M] ．北京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 5 ． L 4 3 吴海军， 周志祥．应用体外横张预应力调整混凝土连 续刚构桥后期下挠 的新构思[ c ] ／ ／全 国既有桥梁检 测 、 评估及加固学术 交 流与技 术研 讨会 议论 文集．北 京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 唐中波．体外横张预应力调控连续刚构桥后期挠度探 索( 硕士学位论文) [ D ] ．重庆： 重庆交通大学， 2 0 0 9 ． [ 6 ] 陈宇峰， 徐君兰， 余武军．大跨 P C连续刚构桥跨中持 续下挠成因及预防措施厂 J ] ．重庆 交通 大学学 报 ( 自然 ( 上接 第 1 7页) 安全检查管理体系实行项 目经理负责制 ， 负责 督促检测人员贯彻 、 落实安全生产方 面的各项规章 制度和保证措施 ， 在小组 中 兼职 安全员要负起 责 任， 及时提醒现场工作中的注意事项 ， 确保安全检测 。 2 ． 6 ． 2 检查 与 纠正 ( 1 )项 目部经常组织安全大检查 ， 安全员负责 日常的安全生产检查。 ( 2 )检查中发现的问题 ， 应立即进行整改 ， 消除 隐患。 ( 3 )对于人身 、 设备事故 ， 按照“ 三不放过” 的原 则 ， 分析事故原 因， 落实责任 ， 及时采取措施 ， 保证安 全检 测 。 2 ． 6 ． 3 建立密切的巡查反馈制度 在项 目部全力做好现场安全工作 的同时， 建立 安全巡查制度， 另委派专职安全管理人员定期对各 检测项 目进行检查督导 ， 促进现场检测人员安全意 识进一步增 强 ， 对各项 检测 的安全措 施进 行全 面 检查 ， 督促项 目部对发现的安全 隐患及时整改。在 重庆主城区 2 8座桥梁检测评估项 目实施过程中， 专 职安全管理人员多次深入现场 ， 检查安全措施的执 科学版 ) ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 4 ) ： 6 8 ， 4 1 ． [ 7 ] 蒙云， 卢波．桥梁加固与改造[ M] ．北京： 人民交 通 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 8 ] 朱世峰．多跨连续刚构桥结构线形控制与合拢技术研 究( 硕士学位论文) [ D ] ．重庆： 重庆交通大学， 2 0 0 8 ． [ 9 ] Z h i x i a n g Z h o u ，F a n g L i ， R o y I mb s e r L I n t r o d u c t i o n o f t h e L a t e r a 1 Po s t Te n s i o n M e t h o d f o r Pr e s t r e s s e d C o n — c r e t e B r i d g e s [ J ] ．B r i d g e E n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ， 1 3 ( 6 ) ： 611 — 62 2 ． E 1 o ] 重庆市交通委员会， 重庆交通学院．横张预应力混凝 土桥梁设计施工技术指南[ M] ．北京 ： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 5 ． 行情况， 听取项 目负责人的汇报 ， 结合该项 目工作量 大 、 工期 紧， 多座 桥梁检 测平 行作业 、 所 检测 桥梁 地形复杂等特点 ， 对检测项 目部 的安全工作提 出了 全面的指导意见 ， 使检测项 目部按业主要求 ， 安全、 保质 地 完 成 了重 庆 主 城 区 2 8座 桥 梁 检 测 评 估 工作 。 3 结语 随着 国家基本建设的不断推进 ， 科学技术的不 断进步 ， 建成 了大批结构新颖 、 技术难度高的各类桥 梁 ， 同时随着各地公路 、 城市桥梁管理养护部门的管 理更趋于规范化 ， 大量的公路 、 城市营运桥梁需通过 检测评估建立完善的技术档案。这对桥梁检测技术 也提出了更高的要求 ， 根据桥梁检测不断发展 的要 求 ， 在提高检测技术的同时 ， 结合新时期桥梁检测的 安全工作特点 ， 如何保证安全管理措施到位 ， 如何完 善安全生产管理规章制度并有效实施 ， 如何将 安全 工作的重点放在一线， 是我们要不 断研究和解决的 问 题 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m