公路梁桥体外预应力加固设计方法

公路梁桥体外预应力加固设计方法

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艾军 史丽远

苏州科技学院 苏州 215011

摘要：体外预应力技术是加固既有桥梁、提高桥梁现有承载能力切实可行的有效措施。提出体外预应力加固钢筋混凝土简支梁桥的设计计算方法和加固体系的检算方法。

关键词：体外预应力；加固；设计；承载能力

目前，国道、省道公路网已基本形成，交通运输业日益繁荣。据公路管理部门大量调查结果分析，现有公路桥梁存在两大方面的问题。一方面，相当一部分桥梁服务期限已有20年～30年，梁体已出现混凝土破损、剥落、钢筋锈蚀、产生裂缝的现象，桥梁承载能力受到影响。另一方面，由于现在交通量增多，车辆载重增大，部分桥梁承载力明显不足，急需采用加固措施提高其承载力以适应交通需要。加固旧桥将是桥梁工程界一个非常迫切的任务。

体外预应力是一种有效的桥梁加固方法，具有操作简单、对原结构损伤小、不影响交通、节省投资的优点［1］［2］，能显著提高结构承载力和抗裂度，有效改善结构的应力状态。结合实例验证本论文提出的体外束加固计算方法的正确性及加固效果。

1 体外预应力筋的设计内容 1．1 体外束的线形布置

体外束的线形有多种形式，为了满足旧桥加固后承载力的需要，一般采用折线形，梁的跨中部分体外束布置在腹板下缘处，满足正截面抗弯强度要求；在约离支座1／3L～1／4L处体外束向上弯起，并锚固在梁两端，满足梁的抗剪强度要求。体外束材料一般由无粘结钢绞线、粗钢筋与槽钢组合而成。

1．2 体外束的预应力损失计算

体外束加固旧桥时，其构造与有粘结预应力混凝土梁不同。因此，体外束的预应力各项损失计算与有粘结预应力混凝土梁有较大差异。在桥梁加固施工中，由于张拉力的读数是在

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www.rbtmm.com 梁体发生弹性压缩的情况下测取的，故分批张拉引起的混凝土弹性压缩损失σs4为零，在活载作用下，引起体外束中的拉力增量时，均以考虑了梁体的变形协调及体系的内力平衡，故活载拉力增量也不会引起预应力钢筋中的混凝土弹性压缩损失。对于全桥整体工作的梁来说，后张拉的各片梁会引起先张拉各片梁变形，产生预应力损失。

因旧桥混凝土的收缩、徐变在长期使用中已基本完成，该项损失较小，可近似取为零。 由以上分析可知，体外预应力筋的预应力损失比有粘结预应力混凝土梁预应力筋要小。所以体外束的张拉控制应力应适当降低，以避免体外束长期处于高应力状态下工作，改善加固体系结构的受力状态，建议其张拉控制应力值比公路桥规中规定的限值降低10％左右。

1．3 体外束面积的确定

体外束面积通常根据梁的控制截面的抗弯强度确定。具体方法：①检算旧桥的承载力或通过桥梁静、动载试验评定旧桥的承载力；②确定加固后梁所要达到的承载能力，并计算加固前后梁的承载力的差值；③根据此差值，按结构设计原理初步估算体外束的面积；5按一般原则，确定转向块和锚固端的位置，并进行全梁承载力校核；⑤按正常使用状态验算各项指标［3］，直至满足各项要求为止。

1．4 转向块和锚固端处局部承压验算

转向块装置在满足功能要求的前提下，越简单越好，结构尺寸越小越好，转向块处混凝土的局部应力验算非常重要。不同的构造，锚固形式不同。昆山通城河桥是采用钢销锚固，钢销采用直径为75mm、长度为 480mm的圆柱，距两端70mm处铣出80mm×33．5mm的锚固平面，梁端腹板上缘钻直径为80mm的锚固孔，局部承压满足规范要求。锚孔部位腹板两侧分别粘贴一层30mm×30mm的碳纤维，以确保安全可靠。固定端采用挤压锚，张拉端采用夹片锚，并套上防震钢套。转向块采用钢板与槽钢22焊接而成，槽钢22在体外索转向处包住梁腹板，槽钢下钢板铣出相应曲面，并焊上防滑粗钢筋。转向块和锚固端构造的合理设计是体外预应力可靠传递的保证。

2 体外束结构的预应力增量计算

用体外束加固的简支梁的受力特点是预加力的控制值在桥梁上部结构恒载作用下测取的，整个体系处于平衡状态下的一次超静定结构，对加固后的混凝土梁截面应力验算时，仅计算由活载引起的体外束中的应力增量。加固体系对外是静定的，不影响体外束应力增量计算。加固体系计算图式见图1，根据力法原理，运用图乘法可求出体外束的内力增量⑽NP＝f（Ay、 q）。在原梁参数及体外束构造、材料均已知时，体外束应力增量主要与水平筋面

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www.rbtmm.com 积和外荷载有关。

图1 加固体系计算示意 3 加固后梁的承载能力检算

3．1 钢筋混凝土梁加固后抗弯强度检算

钢筋混凝土梁加固后，在使用荷载作用下的正截面强度检算时，按照公路桥规的容许应力法进行。以T形梁为例，截面内力及应力分布如图2所示，则有平衡方法：

12bxσh＋1 2（bi－b）hi

2x－hixσh－Agσg－Ayσg＝0

13bx2σh＋3x－2hi6x（bi－b）h2iσh＋Agσg（h0－x）＋Ayσy（hy－x）＝0 σh＝σghx h0－x

联立方程组，采用牛顿迭代法求出σh、σg，若满足σh≤［σh］，σg≤［σg］，则加固后体系正截面强度满足要求。否则，重新进行配筋设计。斜截面强度验算从略。

图2 截面内力及应力分布示意

3．2 钢筋混凝土梁加固后斜截面抗剪强度检算

加固后的梁具有预应力混凝土梁的某些特征，但与有粘结预应力混凝土梁相比，在构造、梁体尺寸、预应力大小方面有较大的区别。加固体系的受力特点更类似于普通钢筋混凝土梁，故斜截面抗剪强度检算建议按普通钢筋混凝土梁计算。加固后梁所需剪力减去体外束承受的剪力等于钢筋混凝土梁所承受的剪力。

实际加固工程中，斜截面抗剪强度检算截面可按公路桥规中规定选定。 3．3 加固体系的挠度验算

用体外束加固的钢筋混凝土梁，其挠度f与弯矩M的变化规律与部分预应力混凝土梁相似。

在正常使用阶段，加固后梁体的挠度主要有两部分组成：一部分是恒载与活载产生的挠度；另一部分是有效预应力与体外束拉力增量产生的。

前者计算同普通钢筋混凝土梁，后者的计算方法可参考预应力混凝土梁在预加力作用下

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www.rbtmm.com 的上拱度的计算方法或根据力法原理求出。梁体的挠度计算均可按弹性理论计算，其关键问题是刚度的取值，梁体截面开裂前可取0．85EhI0，梁体截面开裂后可取0．85EhI01。按公路桥规，在不计冲击力的活载作用下，产生跨中挠度不应超过跨度的1／600。

3．4 加固体系的裂缝验算

用体外束加固的混凝土梁，由于体外束布置在梁体之外，与混凝土无粘结作用。因此，其抗裂性更接近与普通钢筋混凝土梁，可采用公路桥规中关于普通钢筋混凝土梁的裂缝宽度计算公式：

δf＝C1C2C3σgEg（30＋d）（0．28＋10u）式中各参数均按公路桥规取用。其允许裂缝宽度建议按公路桥规中普通钢筋混凝土梁的允许裂缝宽度采用。

图3 体外束布置示意 4 算例

昆山通城河桥为跨径L＝13．5m的钢筋混凝土 T形梁桥，原设计荷载为汽—10级、拖—60；加固后桥梁承载能力要求提高到汽—15级。进行全面加固计算，基本数据如下：bi＝178cm，b＝ 18cm，h＝80cm，h1＝12cm，h0＝71cm，Ag＝44.27cm2，Eg＝2.0×105MPa，Ey＝1.9×105MPa，［σg］＝180MPa，25＃混凝土，［σw］＝10.5MPa，n＝20。

加固前，对旧桥进行了静、动载试验，评定其承载能力为汽—10级，跨中抗弯承载能力为679．90kN—m；采用体外束加固，体外束布置如图3所示，L3＝180cm，L2＝840cm，L1＝150cm，H1＝19.14cm，H2＝60.86cm．

按上述方法反复计算每片主梁采用4束无粘结预应力钢束。Rby＝1960MPa，Ay＝5．6cm2，σye＝625MPa，σk＝855MPa。加固后检算结果：受压区高度x＝17.8cm。σg＝ 167.8MPa＜［σg］＝180MPaσha＝8.0MPa＜［σw］＝10.5MPaσy＝626MPa＜0.65Rby＝1209MPa加固前后试验指标对照见表1满足要求。斜截面强度验算从略。

5 结语

5．1 从表1数据可知：用体外束加固旧桥是非常有效的措施，具有加固、卸载及减小结构内力的作用，值得更广泛地推广应用。但从体外束设计到施工仍有若干问题值得研究。

（1）关于各项挠度计算过程中，主梁刚度的不同取值问题； （2）分批张拉预应力钢束时，预应力损失和影响系数研究；

（3）施工阶段的质量监控研究。5．2 预应力束的转折点处的构造要仔细加以考虑，

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www.rbtmm.com 以防止断丝，体外束的锚固与构件的连接是加固设计的关键。

5．3 随着荷载的增加，构件发生变形，由此产生的体外预应力筋中的拉应力的增量及位置的变化均使预应力随之增减，精确计算时应进行非线形分析。

参考文献

［1］卢文良．预应力体外束加固既有铁路桥梁，铁道标准设计．1997（10）；4～5 ［2］乔墩．体外预应力技术及在桥梁工程中的应用．重通学院学报．1992，（9）：45～50

［3］JTJ023—85 公路钢筋混凝土及预应力凝土桥涵设计规范．北京：人民交通出版社，1985

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