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预应力混凝土连续刚构桥的加固设计
发布日期:2010/4/1 11:57:12    浏览人数:2360

预应力混凝土连续刚构桥的加固设计 
来源:
李新平   (华南理工大学交通学院,广州市510640)
摘要:针对预应力混凝土连续刚构桥存在承载能力不足,提出了采用体外预应力索进行加固的设计方案。本加固设计方案传力途径清晰,受力明确,施工方便。 
关键词:体外预应力;桥梁加固;连续刚构桥 
 1 工程概况 
广东省某公路大桥主桥结构形式为三跨预应力混凝土变截面连续刚构,跨度为66+120+66(m),如图1所示。 
桥面宽度为05+21+04+150+04+21+05(m),总宽度21 m。断面形式为单室箱梁,跨中梁高25 m,墩顶梁高60 m。下部结构主墩为钢筋混凝土矩形双柱空心墩,墩梁固结,基础为钢筋混凝土钻孔灌注桩。该桥设计荷载为汽车—20级,挂车—100,人群为35 kN/m2,于1994年建成通车。图1三跨预应力混凝土变截面连续刚构桥示意单位:cm图2体外索在桥梁加固中的布置示意单位:cm 
2 病害状况 
该桥在1999年10月发现主跨跨中出现明显下挠,截止2000年底,跨中挠度已达22 cm左右。2001年4月管理部门委托了检测单位对该桥进行全面检查和静动载试验,检测结果如下。 
(1)主桥的中跨跨中严重下挠已达238 cm; 
(2)箱梁两侧腹板出现大量的斜剪裂缝,最大裂缝达到1 mm; 
(3)静载试验检测的应力及挠度的效验系数大于105,桥梁总体承载能力下降; 
(4)静载试验时腹板斜裂缝宽度均有加宽,最大增量达05 mm; 
(5)动载试验结果显示主桥整体刚度降低,结构品质下降。 
华东公路2002年第4期2002年第4期李新平:预应力混凝土连续刚构桥的加固设计 
 3 加固方案设计 
鉴于该桥目前存在的情况,为确保大桥的安全,管理部门决定尽快对该桥进行加固处理。由于该桥的通行交通流量较大,因此,要求加固设计应考虑实施过程中大部分时间为不中断交通。 
 从该桥的试验检测资料来看,该桥梁斜剪裂缝多,其抗弯和抗剪承载能力都存在不足。若按规范要求抗剪的最小截面公式验算,则截面尺寸偏小。由于桥跨已塑性变形下挠达238 cm,又要求加固过程中尽量少中断交通,给整个桥梁加固增加了难度。 
众所周知,桥梁加固是一种借加大或修复桥梁构件来提高局部或整体桥梁承载能力或通车能力的措施。目前桥对梁承载能力不足的加固方法主要如下。 
(1)扩大或增加原结构构件截面,以提高原结构的强度和刚度; 
(2)以新的结构代替旧的应力不够的结构; 
(3)改变原结构的受力体系,使其减小受力; 
(4)对原结构施加外应力,以改变其受力图式,达到提高原结构的强度和刚度。 
针对该桥的现状,认为(1)、(2)、(3)种方法均不适用于该桥的加固。由于该桥梁是跨江大桥,跨径达120 m,若采用(1)种方法显然增加的截面会给原结构增加附加重量荷载,而在加固过程中采用搭支架支撑费用高,显然不合理。若不搭设支架,该桥承载能力已经不足,在加固过程中增加附加重量荷载给结构造成不利,其施工安全性存在问题。方法(2)对大跨径预应力混凝土结构显然行不通,方法(3)对连续刚构桥则实施难度大而又不经济。 
通过分析,决定采用方法(4)。通过体外预应力索施加反向荷载的方法对该桥进行加固,以达到给桥梁卸载的目的。此外考虑箱梁两侧腹板出现大量的斜剪裂缝,为了约束斜裂缝进一步发展,加强对腹板混凝土的约束,增强腹板抗剪承载能力和刚度,采用腹板内侧粘贴钢板。 
在加固中,对该桥跨下挠问题所采取的方法是在现存的桥面标高的基础上,将桥面线形顺畅,减少修复桥面所填补的重量。因为若修复到原设计桥面线形,需要填补288 m3混凝土,增加重量约为7218 t,这对承载能力不足的桥梁无疑是雪上加霜。依据原结构设计竖曲线,跨中桥面标高与两个桥墩的桥面标高的高差约为25 cm,这样桥梁虽下挠但对桥上行车影响还很小,所以仅将桥面线形进行顺畅是合理的。图3体外索转向横隔板的构造设计示意单位:cm 
4 具体加固设计方法 
4.1 在不中断交通的情况下,在距桥墩50 m处中跨两个位置的箱梁内两侧设置体外预应力束转向横隔,使桥梁局部受力明确,安全。在距桥墩50 m和54 m处两个边跨箱梁内两侧设置锚固装置,每个锚固装置承受3束体外预应力索的张拉力(每束包括9根1524 mm钢绞线),避免一个锚固处受力过于集中。 4.2 转向横隔和锚固装置通过在箱梁的腹板和底板上插入钢筋与螺栓,与箱梁的腹板和底板连为整体。 
4.3 全桥设置体外预应力索12束,每束体外预应力索穿过跨中转向横隔后临时张拉锚固在桥墩横隔板上,再通过连接器(减少预应力摩阻损失)将体外预应力索张拉锚固在边跨锚固装置上 
4.4 清除箱梁腹板内侧表面残余混凝土后,打磨处理混凝土表面,使之平整。 
4.5 中断交通,凿除整个桥面混凝土后,对体外预应力索进行第二次张拉锚固。 
4.6 确定箱梁腹板内外侧混凝土表面干净、干燥后,用环氧树脂腻子整平和封闭腹板上的裂缝,再粘贴钢板。 
4.7 中跨底板外侧纵向裂缝,采用环氧树脂压浆封闭后,再按30 cm间距横向粘贴碳纤维布。 
4.8 分幅浇筑7 cm厚的水泥混凝土铺装,内设焊接钢筋网Φ 10,15×15(cm),并与间距150 cm按梅花形布置的竖向膨胀螺栓联结为整体。 
4.9 采用调整桥梁原设计竖曲线和桥面标高,减少填补混凝土重量。 
4.10 在加固过程中,要求对中跨箱梁根部截面、L/4截面和跨中截面的应力以及挠度进行施工全过程的监控。 
5 施工工艺要求 
5.1 设置转向横隔和锚固装置前,确定钢筋插入腹板位置,然后钻孔,将钢筋包裹灌注环氧砂浆插入孔中,待粘结后,焊接钢筋形成骨架。 
5.2 转向横隔钢箱孔口需要倒角和进行光滑处理,以免将体外索割伤。 
5.3 体外索应逐束按张拉——临时锚固—安装连接器——张拉——锚固的程序进行。 
5.4 粘贴钢板前,应先对混凝土表面进行处理,然后钻孔用螺栓定位,再涂环氧砂浆,粘贴钢板,并灌注环氧树脂进行粘结。 
5.5 施工程序:设置转向横隔和锚固装置——第一次张拉箱内体外索——凿除桥面铺装层和防撞栏——第二次张拉体外索——粘贴钢板——浇注桥面混凝土——封锚——安装钢护杆。 
5.6 施工过程应注重结构应力和挠度的变化,及时对施工中出现不正常情况采取措施进行调整。 
5.7 各项施工工艺应按照有关规范进行,各种材料性能必须符合规范要求。 
6 结语 
6.1 本桥梁加固设计方案的选择表明:对承载能力不足的桥梁进行加固设计,应尽量减小加固过程中所增加的附加重量,确保桥梁加固过程中的安全性极为重要。 
6.2 本文对连续刚构桥加固设计采用体外预应力索,并通过设置横隔板来适应预应力索转向,使桥梁受力明确,安全。 
6.3 本桥梁加固设计方案显示,由于体外预应力的运用可以达到平衡外荷载的作用,所以体外预应力索在桥梁加固中有广泛应用的范围。 
参考文献 
[1]杨文渊等合编桥梁维修与加固北京:人民交通出版社,1994,9 
[2]李新平,高荣堂谢叠大桥预应力混凝土T构桥梁加固方案的比选道桥技术新进展科技学术论文集西安:陕西人民教育出版社,2001,6

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