坡橋體外預應加固設計管理論文

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摘要：大劉坡橋位于天津寶坻縣境內九園公路的潮白河上。橋全長790.3米，橋面寬度9米（即1+7+1），上部結構為56孔、5片跨徑14.1米的普通鋼筋混凝土T型簡支梁橋，橫橋向有3道橫隔板。橋面鋪裝為鋼筋混凝土（7.5~11~7.5厘米）和3厘米瀝青混凝土面層。每8孔為一道伸縮縫，其間為橋面連續鋪裝。

關鍵詞：體外預應力加固T梁橋

大劉坡橋位于天津寶坻縣境內九園公路的潮白河上。橋全長790.3米，橋面寬度9米（即1+7+1），上部結構為56孔、5片跨徑14.1米的普通鋼筋混凝土T型簡支梁橋，橫橋向有3道橫隔板。橋面鋪裝為鋼筋混凝土（7.5~11~7.5厘米）和3厘米瀝青混凝土面層。每8孔為一道伸縮縫，其間為橋面連續鋪裝。舊T型梁外形（如圖1）。舊梁設計荷載等級：汽-13、拖-60。

下部結構墩柱及蓋梁是在原橋位上游側95年重新設計建造的，為單排雙樁（柱）式，荷載等級：汽-20、掛-100。受公路發展公司委托，我院于4月12~13日對該橋進行了檢查。由于原有公路的技術標準低（汽-13、拖-60），通行能力差，加之目前交通量的增加和汽車載重的增加，上述舊橋是不能滿足承載力要求的。受資金和材料資源及斷交時間的限制，也不可能全部拆除并新建，只能考慮投資較少，工期時間短且能增加承載力的各種橋梁加固技術予以改造。這其中采用體外預應力鋼筋加工技術，確為一種簡單易行且能與新建下部結構荷載（汽-20、掛-100）看齊的有效方法。

體外預應力加固方法的實質是以粗鋼筋、鋼絞線或高強型鋼等鋼材做為施力工具，對橋梁上部結構施加體外預應力，以其產生的反彎矩抵消部分外荷載產生的內力，從而達到改善舊橋使用其性能并提高其極限承載力的目的，本橋只涉及粗鋼筋的體外預應力加固提高荷載方案。

一、體外預應力構造：主要由四個部分組成

1、水平筋與斜筋：由高強螺紋粗鋼筋組成，構造見圖2，其作用是施加預應力提高梁的承載能力。

2、梁端錨固：先將梁端部分混凝土橋面板鑿掉，將梁端頂面上角鑿成與斜筋傾斜方向相垂直的斜面（需剪斷局部架立鋼筋和箍筋），在端橫隔板上開鑿與斜筋方向相同的斜孔，然后，將用角鋼或槽鋼制作的支承墊座用環氧砂漿固定在已鑿好的梁端斜面上。斜筋穿過橫隔梁和支承墊座的斜孔，用千斤頂進行張拉并用螺母錨固在支承墊座上，最后用混凝土將錨頭封閉，見圖3。

3、水平滑塊：由聯接斜筋和水平筋的活動滑塊支承座和固定在梁底的支承鋼墊組成，其構造見圖4，其主要功能是通過滑塊的水平滑動，以調整斜筋與水平筋之間的內力分配比例，并使表面受力趨于均勻。

二、體外預應力提高荷載等級計算：已知的設計參數如下：

1．T梁混凝土設計標號25Mpa。水平筋極限應力計算時，取，截面強度計算時取混凝土抗壓設計強度，取混凝土極限壓應變

2.原T梁配筋參數：其T梁截面配筋見圖5

跨中截面：,

支點截面：,

,,

.原梁斜截面內受拉縱向鋼筋的配筋率：

3.體外索配筋參數：

經加固設計分析，體外索水平筋取為，斜筋取為，均為冷拉Ⅲ級鋼（單控）。

兩墊板中心之間的水平距離：，上錨固點至墊板中心的水平距離：

,

體外預應力筋至T梁底距離

體外預應力損失：

1）預應力鋼筋與水平滑塊之間的摩擦：因是水平張拉

2）具變形引起的預應力損失：,因是水平張拉，故，查規范按計,

3)溫差引起的損失：。

、：分別為預應力鋼筋與混凝土的線膨脹系數,

,Δt:為年最高溫度與施工時的溫度差；15°

故：

4)分批張拉引起的混凝土彈性壓縮損失：因單片梁兩根水平鋼筋同時張拉，使單片梁間的。

5）鋼筋松弛引起的損失：一次張拉

6)混凝土收縮與徐變引起的應力損失

因舊橋混凝土的收縮與徐變在長期使用過程中已基本完成。體外筋加固體系并不會使橋梁恒載增加許多，且使原梁受壓區的應力明顯減少。因此，即可近似取混凝土收縮、徐變損失。于是，體外筋加固中預應力鋼筋總的應力損失為：

預應力水平筋重心到截面上邊緣的距離

無粘結預應力筋的有效預應力，滑塊與梁底之間的摩擦系數（屬于滑動摩擦），反映斜筋與水平筋拉力之比的系數，體外斜筋中的有效預應力

1、計算體外鋼筋的極限應力：

由于水平筋和斜筋在材料及其截面面積方面的差別，其有效預應力是不同的，亦即兩者的應變量也不同。若以水平筋的應變為準，將斜筋的應變狀態換算為水平筋的應變狀態，并在此情況下求出體外筋的總長度，即為體外筋的換算長度。式中分別為體外預應力水平筋和斜筋中由有效預應力產生的應變。

，則。令：。梁跨中破壞截面的剛度與極限狀態下梁體各截面平均剛度的比值，體外預應力鋼筋換算長度與梁的計算跨徑之，與支承條件有關的撓度系數對于按均布荷載考慮的簡支梁由彈性變形理論可求出，體外水平筋配筋率，原梁受拉鋼筋配筋率，原梁受壓鋼筋配筋率，參照現行公路橋規（JTJ023－85）中對鋼筋混凝土和預應力混凝土受彎構件的強度計算方法，按矩形截面試算：體外水平筋的極限應力，Rab’iχ=σAy+AgRg-A’gR’g則，令水平筋極限高度系數ξy為梁發生截面破壞時實際受壓區高度χs與體外水平筋重心到梁頂面的距離之比，即，

∴，再將代入上式，可得，將此式展開并經整理即得矩形截面體外水平筋極限高度系數，為體外水平筋的極限應力增量，其上式中

由圖6中假定當最大彎矩截面發生破壞時，兩個未破壞的梁段均發生剛性轉動，即無撓曲變形的幾何關系，三角形的相似比可建立如下幾何方程：；：體外預應力鋼筋的總伸長值。：梁破壞時的極限撓曲值。：梁發生截面破壞時實際受壓區高度。由上式得：，根據總伸長量即可求出體外預應力鋼筋的極限應變增量；考慮體外筋中有效預應力的影響后，體外預應力筋的極限應變其中εy為體外預應力水平筋中由有效預應力產生的應變。由于體外水平筋在梁達到極限狀態時并不屈服，因此，將上式兩端分別乘以預應力鋼筋的彈性模量，則體外水平筋的極限應力可用下式表示：此式第二項即為體外預應力水平筋的極限應力增量，又由于與加固梁跨中極限撓度則可導出：將其化簡后可得一關于水平筋極限應力增量的一元二次方程。即：；式中系數

解方程：：即：；

解出：：；則水平筋極限應力為：

其體外斜筋極限應力公式為：；由于體外斜筋與水平筋配筋面積不同，取大者，；則

2。計算抗彎強度

由于<

，說明中性軸在T梁的頂板內，即為第一類T形。因而按寬度為的矩形截面計算抗彎強度。在此可忽略受壓區鋼筋的影響，則由規范公式計算中性軸位置：

受拉鋼筋合力作用點到體外索水平筋重心的距離為：

；

再由規范公式計算加固體系的抗彎強度：

該梁提高等級后由汽車荷載控制設計，跨中截面的最大計算彎距；

因此經體外筋加固之后，梁的抗彎強度滿足設計。

3.計算抗剪強度

該梁最大支點剪力由掛車-100控制，其值為；作用在梁端部體外筋中的預加力應作為外力考慮，其豎向分量將抵消一部分外荷剪力。假定在極限狀態下，體外斜筋中的應力為，考慮材料安全系數后，則其預剪力的豎向分量為：；

；

；計算表明，經體外筋加固后梁端不會出現斜壓破壞。

由規范（4.1.10-2）及（4.1.10-3）式得：

經體外筋加固后，該梁抗剪強度滿足要求。