体外横张预应力技术在混凝土旧桥加固改造中的应用探索.pdf

l l J J l 建筑科学研究 S i e h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 第 3 7卷第 5期 2 0 1 1年 l 0月 体外横张预应力技术在混凝土旧桥加固改造中的 应用探索 陈虎森 ， 朱世峰 ， 唐 中波 ( 1 重庆市交 通委员会基本建设工程质量和安全监督站 ， 重庆4 0 0 0 6 0 ； 2 中铁大桥局武汉桥梁科学研究院， 湖北 武汉4 3 0 0 3 4 ； 3 四川路桥建设股份有限公司， 四J I I 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， 提出了应用体外横张预应力技术对旧桥加固 改造的新构思 ， 并以调控连续刚构桥运营期中跨跨中下挠为例， 进行了论证分析 ， 对其预应力束横向张拉空间和布束方案进 行 了探索性研 究。 关键词 ： 体外预应力； 横张预应力； 张拉空间； 布束方案； 挠度； 桥梁 中图分类号： u 4 4 5 7 1 ； U 4 4 8 2 3 ； U 4 4 8 3 5 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 5- 0 8 6- 0 5 Ap p l i e d e x p l o r a t i o n o f t h e e x t e r n a l v e r t i c a l l y t e n s i o n e d p r e s t r e s s i n t h e r e i n f o r c e me n t a n d r e c 0 n s t r u c t i 0 n 0 f o l d b r i d g e CHEN Hu s e n ，ZHU S h i f e n g ， T ANG Zh o n g b o ( 1 E n g i n e e ri n g Q u a l i t y S e c u ri t y S u p e r v i n g ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 6 0 ， C h i n a ； 2 B ri d g e S c i e n c e R e s e a r c h I n s t i t u t e L t d ， C h i n a Z h o n i e Ma j o r B ri d g e E n gi n e e ri n g G r o u p ， Wu h a n 4 3 0 0 3 4， C h i n a ； 3 S i e h u a n R o a dB ri d g e C o ， L t d ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： F o r t h e d i s e a s e o f e x i s t i n g b rid g e ， t h e s c h e me o f u s i n g v e r t i c a l l y t e n s i o n e d p r e s t r e s s e d t e c h n i q u e s t o r e i n f o r c e a n d r e c o n s t r u c t o f o l d b ri d g e i s p r o p o s e d a c c o r d i n g t o t h e f e a t u r e s o f e x t e r n a l p r e s t r e s s o n t h e b a s i s o f a n a l y s i s o f i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v an t age s T a k e r e g u l a t i n g t h e m i d s p a n d e fl e c t i o n o f ri gid f r a m e b ri d g e f o r e x a m p l e ， t h e m e t h o d o f s t r a n d a r r a n g e m e n t and s t r e t c h i n g s p a c e w e r e i n v e s t i g a t e d a n d d e mo n s t r a t e d Ke y wo r d s ： e x t e r n al p r e s t r e s s i n g； v e r t i c a l l y t e n s i o n e d p r e s t r e s s i n g ； s t r e t c h i n g s p a c e ； me t h od o f s t r a n d a r r an g e me n t ； d e fl e c t i o n； b ri d g e 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， 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 0 0 0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 还有进一步的上 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 剖。 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 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 1 1 3 作者简介 ： 陈虎森 ， 男 ， 主办监督工程师 ， 主要从 事交通工程质量监督 ： 【作。 应用于桥梁维修加 固工作中 。 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 4 。 。本 文在结合现有体外 预应力及 横张预应力技术的优点 的基础上 ， 提出了体外横张 预应力技术加 固改造的新方法。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 中采用较多的是体外 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 ， 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。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 2 0 1 1 N o 5 陈虎森， 等： 体外横张预应力技术在混凝土旧桥加固改造中的应用探索 8 7 力 ) ； 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； 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。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。这一做法有 以下几个问题 ： 在原有箱梁内部浇筑混凝土 ， 很不方便。 布置不灵 活。对于 1 4跨 附近腹板抗裂需 要布置较多的斜束， 这就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。 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 一 广 的体外束用量 。 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 连续钢构桥 ， 仅需要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 ， 并可推广至简支梁及连 续梁桥 的应用中。 3 1 横张预应力梁的基本原理 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 向上的荷载 的同 时， 使混凝土梁获得所需的预应力C 9 - 1 1 。下 面， 以箱 型梁为例( 图 1 ) ， 阐述其结构特点及预应力工艺。 图 1 横张预应 力梁的工艺原理 Fi g 1 Ve r t i c a l l y t e n s i on e d pr e s t r e s s be am pr i nc i pl e di a gr am 1 ) 制作混凝土梁体 ， 分实腹段 和空腹段 ， 在腹 板中部区段 内设预 留明槽 ； 在设定高度处直线布置 预应力钢束( 图1 中虚线所示) ， 使两端伸人先浇梁 体混凝土作为粘结锚固区段， 在预留明槽内悬空。 2 ) 安装张拉设备 ， 以梁底 为反力承压面 ， 竖向 张拉预应力钢束至设计位置 ， 在钢束受拉伸长 的同 时， 梁体混凝土获得相应的预应力 ， 即梁体混凝土产 生预压应力和张拉点处承受 向上承托力 。 3 ) 插入钢插销 以锁定预应力钢束 的位置 ， 卸除 千斤顶等张拉设备， 灌注预留明槽的混凝土。 3 2 体外横张预应力新构思 图 1中所示的工艺过程是横张预应力使用于体 内预应力的情况 ， 它在施工时存在钢束安装较烦琐 ， 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 ， 将能有效克 服二者的缺点， 我们称其为“ 体外横张预应力” 。由 于其具有的基本优点 ， 使得它非常适宜于连续 刚构 十一 后浇明槽混凝土 l ( 张拉时)( 完成后) 约束件 钢插销 i 雅 柬 张 拉 杆 ，1 l 一 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 ， 可以提 出利用体外 横张预应力进行连续 刚构桥梁的后期变形调整的结 构布置及构造， 如图2 所示。图2中， 张预应力钢束 在横张前用虚线表示， 横张后用实线表示。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 中抬高值的大小。横断面图表示了转向块 的构 造 ， 只要满足传力需要， 它可以做 的尽量小， 以减轻 自重及工程量。张拉固定区的大样 、 张拉杆、 垫块、 钢束夹等， 是张拉及锚固时需要的部件， 保护盒的主 要作用是防止外界水气等物质对锚具的腐蚀。 具体地 ， 利用体外横张预应力技术调整连续刚 构桥梁变形及 内力的原理( 图 2 ) 为： 1 ) 横张预应力施工技术 在底板相应位置开孔， 形成张拉孔； 箱内转 向板新旧混凝土结合面处理； 墩顶横隔板钻孔， 孔 直径2 2 e m； 转向板及墩顶锚固齿块种植钢筋； 布置转 向板及锚固齿块钢筋 ， 浇注转向板及锚 固齿 块混凝土； 挂索， 安装张拉杆； 转向板及锚固 齿块混凝 土达到1 0 0 设计强度后 ， 分批 张拉体外 8 8 2 0 1 1 N 0 5 陈虎森， 等 ： 体外横张预应力技术在混凝土旧桥加固改造中的应用探索 8 9 倾斜直线段 的横 向张拉形成两倾斜直线 时， 既伸长 率为 = 。根据 图3 ， 体外横张预应力束 布置时， 常会确定 l 。和 。根据这个特点， 可以确 定 。 的变化值对伸长率 的影响。反之， 也可以推 出 。 的变化值对伸长率 的影响。 图 3 伸长率 的计算示意 Fi g 3 S c h e ma tic o f t h e c a l c u l a t i o n o f e l o n g a tio n 根据图 3可知： 0 00 ， 009 0 ， 0 0+ 1 c o s ( 0+ 1 ) 且 s i n a 0+s i n a 1s i n ( 0+ 1 ) 0 ( 8 ) U l 可知， 在 。 为定值时， 是随着 增大而增大。 故可以通过张拉控制应力 和施工方案所确定 的 伸长率 ， 横张体外预应力束的布置确定 的 。， 来 确定 。 。使其满足伸长率 的要求 ， 从而确定体外 横张预应力所需要的布置空间。 根据连续刚构桥中跨的箱 内空间特性和横张预 应力布置的要求， 。 的取值在2 。 一 6 。 之间， 的取 值在2 。 9 。 之间， 故按照公式( 6 ) ， 计算出由 。 和 。变化导致的伸长率 的变化值( 表 1 ) 。 从表 1可以看出 ， 伸长率 随着 。的增 大而增 大 ， 伸长率 随 而增 大。从而可 以得到一个 结 论， 当 。 一定的时候， 要使横张预应力钢筋的伸长 率 满足设计要求 ， 必须使 p 1 ， 。 就是最小张 拉角。同理 ， 当 一定的时候 ， 要使横张预应力钢 筋的伸长率 满足设计要求 ， 必须使 。 p 2 ， p 2 就 是下最小张拉角。所以， 在横张预应力的布置时， 可 以结合 和 皿 灵活地选择下弯点 的位置。 表 1 和 。 对伸长率 的影响值 Ta b l e 1 Th e im p a c t o ft h e v a l u e o f ， 】f o r do n g a fio n 2。 0 0 o o 6 l 3 o O O o o 9 2 4o 0 o o 1 2 2 5。 O o o 1 5 3 6o O o o1 8 3 7o 0 0 0 21 4 8。 0 0 0 2 4 _4 9。0 0 0 2 7 5 O 0 0 O 9 2 O o o 1 3 7 O 0 o1 8 3 0 o o 2 3 0 0 O O 2 7 5 0 o o 3 21 O o o 3 6 7 O o0 41 3 O o o1 2 2 O o 01 8 3 O 0 o 2 4 4 O 0 0 3 0 5 0 o o 3 6 7 O 0 o 4 2 8 O o ( ) 4 9 o O o o 5 51 O o 01 5 3 O 0 o 2 2 9 0 o o 3 0 5 O o o 3 8 2 O o o 4 5 9 O 0 o 5 3 6 O o 0 6 1 3 0 O O 6 9 O O 0 o l 8 3 O o 0 2 7 5 0 o 0 3 6 7 0 O0 4 5 9 O 0 o 5 51 O O 0 I6 4 3 0 O O 7 3 6 0 o o 8 2 8 5 体外横张预应力技术布束方案 采用上述新型体外预应力技术解决诸如连续刚 构桥等箱梁桥跨中挠度过大的病害时， 其预应力钢 束应采用折线形并布置在中跨。根据其技术特点， 预应力钢束可采用下述布置方案 。 方案 1 ： 预应力钢束箱内布置， 锚固端布置在0 块横隔板 ， 预应力钢束的张拉装置布置在箱梁底板 外侧， 如图4 所示。其中， 图中虚线表示体外预应力 束横向张拉前位置。 盲订 图4 方案 1布置 Fi g 4 Sc he m a tic of t he pr og r a m o ne 根据挠度调整需要 ， 沿虚线位置实施纵 向张 拉； 后期运营阶段需调控时 ， 通过横 向张拉调控挠 度； 小吨位张拉设备即可实施 ， 经济、 方便 、 快捷 。 方案 2 ： 体外预应力钢束 在 中跨锚 固点至 L 4 ( 或L 3 ) 区段在箱梁内部布置( 为中跨跨度) ， 中 跨跨中附近区段预应力束穿出箱梁布置在箱外。锚 固端布置在 0 块横隔板， 预应力束先在箱内随后穿 出箱梁 ， 张拉端布置在箱梁腹板附近的翼缘板外侧 ， 如图5 所示。通过对预应力钢束向上提拉施加预应 力 ， 以便调控。实施中 ， 也可采用方案 1的张拉方法 进行挠度调控。