體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在某橋梁加固中的應(yīng)用分析.doc

1、華 中 科 技 大 學(xué)研究生課程考試答題本考生姓名 張威 考生學(xué)號(hào) M200973125系、年級(jí)橋梁與隧道工程類(lèi) 別碩 士 考試科目 現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土考試日期 2010 年 10 月8日 評(píng) 分題 號(hào)得 分題 號(hào)得 分總分：評(píng)卷人：注：1、無(wú)評(píng)卷人簽名試卷無(wú)效。2、必須用鋼筆或圓珠筆閱卷，使用紅色。用鉛筆閱卷無(wú)效。題號(hào)回 答 內(nèi) 容得分體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在某橋梁加固中的應(yīng)用分析M200973125 張威 土木道橋系摘要:結(jié)合某實(shí)際曲線(xiàn)梁橋結(jié)構(gòu),采用體外預(yù)應(yīng)力方法進(jìn)行加固,并對(duì)該方法進(jìn)行介紹,闡述作為主動(dòng)加固的體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),并對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)中需要特別注意的極限應(yīng)力合理取值、預(yù)應(yīng)力損

2、失及張拉控制應(yīng)力進(jìn)行探討。利用有限元程序MIDAS/Civil建立該曲線(xiàn)梁橋整體計(jì)算模型，對(duì)采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固的曲線(xiàn)梁橋進(jìn)行了應(yīng)力和抗裂驗(yàn)算,通過(guò)與加固前各項(xiàng)指標(biāo)的比較分析,得出加固方案的合理性。關(guān)鍵詞:曲線(xiàn)梁; 體外預(yù)應(yīng)力； 無(wú)粘結(jié)； 極限應(yīng)力； 張拉控制應(yīng)力預(yù)應(yīng)力技術(shù)從工程實(shí)際應(yīng)用到現(xiàn)在才半個(gè)世紀(jì)多，但是由于預(yù)應(yīng)力混凝土具有結(jié)構(gòu)安全可靠、節(jié)約材料、自重較小、構(gòu)件的抗裂性好、剛度大等優(yōu)點(diǎn),得以迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，應(yīng)用數(shù)量日益增多。預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于公路橋梁是在20世紀(jì)50年代中期，迄今已有40 多年了.雖然起步較晚,但發(fā)展卻異常迅速，從理論計(jì)算、施工工藝和技術(shù)、材料和設(shè)備、試驗(yàn)檢

3、測(cè)、設(shè)計(jì)和施工隊(duì)伍等已形成一套較完整的體系。預(yù)應(yīng)力技術(shù)不僅用于公路橋梁結(jié)構(gòu)，而且也運(yùn)用到橋梁的維修和加固、大件提升、頂推施工、邊坡或山體錨固等方面，其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大應(yīng)用前景會(huì)與日俱增.隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展,公路運(yùn)輸量大幅度提高，行車(chē)密度及車(chē)輛載重不斷增加,而橋梁作為公路的咽喉,其使用功能的好壞直接影響整條線(xiàn)路的暢通，其正常營(yíng)運(yùn)是確保交通安全的關(guān)鍵。然而橋梁結(jié)構(gòu)由于自身存在使用周期內(nèi)的自然老化、各種意想不到的自然災(zāi)害，設(shè)計(jì)過(guò)程中的歷史局限或是施工過(guò)程中的初始缺陷,造成現(xiàn)有橋梁中的相當(dāng)一部分滿(mǎn)足不了使用上的要求。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明,只要采用合理可靠的橋梁加固措施，對(duì)恢復(fù)和提高橋梁的承載

4、能力及通行能力，延長(zhǎng)其使用壽命，是非常合理和可行的。一般情況下，橋梁的加固費(fèi)用僅為新建橋梁費(fèi)用的1020%,因此，如何充分利用現(xiàn)有橋梁,對(duì)其進(jìn)行有效的技術(shù)改造， 具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。1工程背景某立交匝道全長(zhǎng)98m，橋面寬度8m。全橋位于平曲線(xiàn)上，最小半徑為55m,墩、臺(tái)布置均與道路中心線(xiàn)正交。豎向位于半徑為10511526 m的豎曲線(xiàn)上,且沿樁號(hào)方向上設(shè)置316%和-414%的縱坡。匝道橋上部結(jié)構(gòu)采用（30+38+30）m三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋, PF1橋墩墩頂與主梁固結(jié)， PF2橋墩墩頂設(shè)支座。如圖1、圖2所示.該立交匝道工程在上部結(jié)構(gòu)混凝土澆筑完成拆模后,即發(fā)現(xiàn)如下主要

5、病害：(1) 橋梁頂板、腹板多處出現(xiàn)嚴(yán)重的蜂窩孔洞，鋼筋外露現(xiàn)象嚴(yán)重；圖1 匝道立面圖（單位：cm)圖2 匝道平面圖(單位：cm）(2) 預(yù)應(yīng)力管道定位與設(shè)計(jì)不符,波紋管破損嚴(yán)重，箱梁內(nèi)側(cè)的波紋管已經(jīng)完全損壞，不能穿預(yù)應(yīng)力鋼束,預(yù)應(yīng)力管道線(xiàn)形與原設(shè)計(jì)偏差較大，造成部分預(yù)應(yīng)力筋失效。2加固方案設(shè)計(jì)2.1加固方法的確定加固方法從原理上可分為被動(dòng)加固和主動(dòng)加固兩類(lèi)。被動(dòng)加固的后加補(bǔ)強(qiáng)材料只承擔(dān)活載和后增加恒載引起的內(nèi)力，與原梁的鋼筋相比,其應(yīng)變(應(yīng)力)相對(duì)滯后，一般情況下，在極限狀態(tài)下其應(yīng)力達(dá)不到抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,材料無(wú)法充分發(fā)揮高抗拉性能.解決后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后,提高后補(bǔ)強(qiáng)材料利用效率的根

6、本途徑就是變被動(dòng)加固為主動(dòng)加固。主動(dòng)加固設(shè)計(jì)思想的核心就是提高后補(bǔ)強(qiáng)材料的利用效率，以最少的成本，創(chuàng)造最佳的加固效果 2 。而體外預(yù)應(yīng)力加固則屬于主動(dòng)加固范疇.體外預(yù)應(yīng)力加固通常采用粗鋼筋、鋼絞線(xiàn)、高強(qiáng)鋼絲等材料作為施力工具,在體外對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力,以預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反彎矩部分抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布,提高結(jié)構(gòu)的剛度及抗裂性能.體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在實(shí)際工程中已有廣泛應(yīng)用，如上饒靈溪大橋加固設(shè)計(jì)、三門(mén)峽黃河大橋加固設(shè)計(jì)、蕪湖市中江橋等。體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn):(1)能充分發(fā)揮體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的的性能,較大幅度提高橋梁的承載能力；(2）在體外預(yù)加力作用下，原梁的裂縫將全部或部分閉

7、合，明顯改善原梁的抗裂性能,提高結(jié)構(gòu)的耐久性；（3）體外預(yù)應(yīng)力加固可在不中斷交通的條件下進(jìn)行，對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)影響不大；（4）體外預(yù)應(yīng)力加固所需設(shè)備簡(jiǎn)單、施工工期短、經(jīng)濟(jì)效益顯著。根據(jù)本橋的具體病害情況，考慮體外預(yù)應(yīng)力加固法的適用范圍及優(yōu)勢(shì)，決定拆除內(nèi)側(cè)波紋管并對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行修補(bǔ),除對(duì)薄弱構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)外,對(duì)箱梁主體主要采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行加固。2.2具體加固方案的設(shè)計(jì)2.2。1體外預(yù)應(yīng)力筋的布置根據(jù)A類(lèi)構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)抗裂要求,經(jīng)計(jì)算本加固結(jié)構(gòu)采用6束21515。24mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn).體外預(yù)應(yīng)力筋布置如圖3圖5所示,沿梁全長(zhǎng)偏心距保持不變.端橫梁處設(shè)錨固塊，兩端張拉。針對(duì)曲線(xiàn)梁的特點(diǎn),利用原

8、有橫隔梁和橫隔板作為體外預(yù)應(yīng)力筋彎曲平面內(nèi)的轉(zhuǎn)向裝置。由于增加的體外預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力徑向力合力作用點(diǎn)位于截面剪切中心附近,所以其徑向力合力對(duì)結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生扭矩,體外預(yù)應(yīng)力筋的作用只是增加了原結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。這樣,間接減小了原設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力徑向力合力產(chǎn)生的使箱梁結(jié)構(gòu)向外側(cè)偏轉(zhuǎn)的扭矩,避免預(yù)加力徑向力造成的扭矩不平衡引起的曲線(xiàn)梁橋出現(xiàn)支座脫空、橫向失穩(wěn)、墩梁固接位置開(kāi)裂、腹板開(kāi)裂等病害產(chǎn)生。圖3 體外預(yù)應(yīng)力筋布置斷面圖（單位：cm)圖4 體外預(yù)應(yīng)力筋布置立面圖(單位：cm）圖5 體外預(yù)應(yīng)力筋布置平面圖（單位：cm）2.2.2張拉控制應(yīng)力的確定體外預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)其預(yù)應(yīng)力損失，從理論上講應(yīng)考慮摩阻力、錨具

9、變形、溫差、分批張拉引起的混凝土彈性壓縮、鋼筋應(yīng)力松弛和混凝土收縮與徐變等因素引起的應(yīng)力損失。均可根據(jù)實(shí)際情況參考現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算。體外預(yù)應(yīng)力損失比有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力損失要低很多，這也是體外預(yù)應(yīng)力的一大優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)這一特點(diǎn)，應(yīng)適當(dāng)降低預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力，以避免體外預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)下工作。用于加固結(jié)構(gòu)的體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力，建議比公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（ JTG D622004）規(guī)定的張拉控制應(yīng)力降低5%104 。本加固結(jié)構(gòu)的體外預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力取con = 68% ×fpk = 1 26418MPa，比公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（

10、JTG D622004)規(guī)定的張拉控制應(yīng)力降低9 ，該張拉控制應(yīng)力在合理的應(yīng)力取值范圍內(nèi).3加固設(shè)計(jì)計(jì)算分析3.1體外預(yù)應(yīng)力法加固設(shè)計(jì)計(jì)算中的特殊問(wèn)題以采用體外預(yù)應(yīng)力加固的簡(jiǎn)支梁為例，結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)帶柔性拉桿的內(nèi)部超靜定混合體系。這種體系的最根本特點(diǎn)是，預(yù)應(yīng)力筋與梁體混凝土之間無(wú)粘結(jié),同一截面內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋與梁體混凝土之間不存在簡(jiǎn)單的變形協(xié)調(diào)關(guān)系。一般情況下,在極限狀態(tài)時(shí)體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力都達(dá)不到材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)中很多特殊問(wèn)題都是從這點(diǎn)引發(fā)的 2 。3.2體外預(yù)應(yīng)力筋極限狀態(tài)下應(yīng)力的合理取值體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容包括正截面抗彎承載力計(jì)算和斜截面抗剪承載力計(jì)算兩部分。極限

11、狀態(tài)下體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力取值應(yīng)考慮體外預(yù)應(yīng)力筋無(wú)粘結(jié)的特點(diǎn),即在荷載作用下，預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土之間可發(fā)生滑移，體外預(yù)應(yīng)力鋼筋偏心距發(fā)生改變。為獲得體外預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)件承載力指標(biāo),必須首先得到體外預(yù)應(yīng)力筋的極限應(yīng)力。3.3加固結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析本例采用忽略翹曲影響的單純扭轉(zhuǎn)理論 5 進(jìn)行縱向分析。通過(guò)橋梁設(shè)計(jì)專(zhuān)用軟件M IDAS/Civil采用空間梁?jiǎn)卧⒂邢拊w模型進(jìn)行受力分析。模型共有節(jié)點(diǎn)217個(gè),單元211個(gè),彈性連接5個(gè)?？紤]的荷載包括自重、預(yù)應(yīng)力、溫度梯度、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)沉降.有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖6。圖6 有限元計(jì)算模型3。3.1加固后正常使用階段應(yīng)力驗(yàn)算(1)加固后斜截面混凝土主壓應(yīng)

12、力驗(yàn)算(圖7、圖8) 圖7 曲線(xiàn)外側(cè)斜截面混凝土主壓應(yīng)力（長(zhǎng)度/m）圖8 曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)斜截面混凝土主壓應(yīng)力（長(zhǎng)度/m）從計(jì)算結(jié)果中可以看出，加固后斜截面主壓應(yīng)力最大值發(fā)生在匝道PF1支座截面外側(cè)腹板下承托處，最大斜截面主壓應(yīng)力僅為1116MPa,滿(mǎn)足規(guī)范要求，并有40左右的安全儲(chǔ)備。(2）加固后正截面混凝土法向應(yīng)力驗(yàn)算（圖9圖12）從以上應(yīng)力結(jié)果圖中可發(fā)現(xiàn),匝道橋加固后僅在PF1支座截面曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)上緣出現(xiàn)正截面拉應(yīng)力,而拉應(yīng)力值僅為1105MPa,中跨跨中曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)上緣出現(xiàn)1518MPa的壓應(yīng)力,均符合規(guī)范限值要求。圖9 曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)上緣正截面應(yīng)力包絡(luò)圖（長(zhǎng)度/m)圖10 曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)下緣正截面應(yīng)力包絡(luò)圖(長(zhǎng)

13、度/m）圖11 曲線(xiàn)外側(cè)上緣正截面應(yīng)力包絡(luò)圖（長(zhǎng)度/m）圖12 曲線(xiàn)外側(cè)下緣正截面應(yīng)力包絡(luò)圖(長(zhǎng)度/m）3。3.2正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算(1）荷載短期效應(yīng)組合下正截面混凝土法向拉應(yīng)力驗(yàn)算。對(duì)加固前后結(jié)構(gòu)在荷載短期效應(yīng)組合下正截面混凝土法向拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如圖13圖16所示。圖13 曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)上緣正截面應(yīng)力(長(zhǎng)度/m）通過(guò)對(duì)比加固前后應(yīng)力結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),加固前因?yàn)樵Y(jié)構(gòu)部分體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋的廢除,導(dǎo)致截面上緣支點(diǎn)處、截面下緣跨中處均出現(xiàn)非常大的拉應(yīng)力,而加固后由于體外預(yù)應(yīng)力的作用，圖14 曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)下緣正截面應(yīng)力(長(zhǎng)度/m）圖15 曲線(xiàn)外側(cè)上緣正截面應(yīng)力（長(zhǎng)度/m)圖16 曲線(xiàn)外側(cè)下緣正截面應(yīng)力（

14、長(zhǎng)度/m）截面應(yīng)力均大幅下降,應(yīng)力大多為壓應(yīng)力。從加固后正截面混凝土法向拉應(yīng)力曲線(xiàn)中提取出中跨跨中和支點(diǎn)截面應(yīng)力,與加固前各位置處應(yīng)力值比較如表1所示。注：表中正為拉應(yīng)力，負(fù)為壓應(yīng)力加固前曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)上緣PF1支座處法向拉應(yīng)力達(dá)4153MPa,而規(guī)定最大拉應(yīng)力限值通常取為2 MPa。經(jīng)過(guò)體外預(yù)應(yīng)力加固后，該處僅出現(xiàn)0133MPa的拉應(yīng)力，符合規(guī)范A類(lèi)混凝土正截面抗裂要求。(2)荷載短期效應(yīng)組合下斜截面混凝土主拉應(yīng)力驗(yàn)算。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固前后的斜截面混凝土主拉應(yīng)力驗(yàn)算，應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表2.注：表中正為拉應(yīng)力，負(fù)為壓應(yīng)力從表2可以看出，未加固前，匝道箱梁結(jié)構(gòu)在PF1支座曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)腹板上承托處存在1179MPa的斜截面主拉應(yīng)力最大值,加固后該處斜截面主拉應(yīng)力僅為1112MPa，下降幅度3714%，斜截面抗裂能力得到大幅提高。加固后截面各處的應(yīng)力值滿(mǎn)足規(guī)范A類(lèi)混凝土斜截面抗裂要求。此外，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力筋端橫梁錨固處及橫隔梁轉(zhuǎn)向處利用有限元軟件建立實(shí)體模型,進(jìn)行了局部構(gòu)件應(yīng)力分析，分析結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求，鑒于篇幅有限，本文對(duì)此不作詳細(xì)說(shuō)明。4結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的研究分析，可知體外預(yù)應(yīng)力加固能有效改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，顯著提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能，加固設(shè)計(jì)方案合理可行。體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)相比其他加固方法優(yōu)勢(shì)明顯，有著良