體外預應力加固技術在某橋梁簡支梁中的算例分析

張新

（吉林省交通規劃設計院，吉林 長春 130021）

體外預應力加固技術在某橋梁簡支梁中的算例分析

張新

（吉林省交通規劃設計院，吉林 長春 130021）

結合實際工程介紹了體外預應力加固簡支梁在工程中的應用。結果表明，體外預應力加固簡支梁可以有效地提高結構的承載能力，同時也提高了結構的正常使用極限狀態。驗算結果直觀可信，可為今后類似工程提供參考。

體外預應力；橋梁加固；設計；簡支梁；承載力

1　工程概況

某鋼筋混凝土簡支T形梁橋原設計荷載為汽車-13級、拖車-60，橋面凈寬為凈-7 m+2×0.75 m人行道，跨徑為22.2 m，計算跨徑為21.8 m，橫向由5片梁組成，中間不設橫隔板，橫斷面見圖1。

圖1　簡支梁橫斷面圖（單位：cm）

2　主梁截面特性及結構設計內力計算［1-3］

2.1面特性計算

計算跨徑為21.8 m，梁間距b1為1 600 m m。根據截面尺寸，可以計算得到截面面積A為388 200 m m2，重心距下緣距離yb為917 m m，截面抗彎慣性矩Io為7 347 506×104m m2，截面下緣抵抗矩為Wx= 80.125×106m m3，截面上緣抵抗矩為Wx=169.688× 106m m3，截面抗扭慣性矩J為：

J=（1/5）×（1/3）×8 000×1103+0.302×1 240× 1803=289 383×104m m4

2.2結構設計內力計算

2.2.1橫向分布系數計算

結構由橫向5片預制T形梁且無橫隔板組成的簡支結構，參考李國豪《公路橋梁荷載橫向分布計算》計算其荷載橫向分布系數。主梁的抗彎與抗扭剛度的比例參數γ:

主梁與橋面板抗彎剛度比例參數β：

由此，可以計算出各梁的荷載橫向分布系數，汽車荷載：1號梁及5號梁橫向分布系數0.475，人群荷載：1號梁及5號梁橫向分布系數0.761；汽車荷載：2號梁及4號梁橫向分布系數0.475，人群荷載：2號梁及4號梁橫向分布系數0.314；汽車荷載：3號梁橫向分布系數0.452，人群荷載：3號梁橫向分布系數0.054。

2.2.2主梁內力值計算

恒載標準值：加固前跨中彎矩903.7 kN·m，加固后跨中彎矩903.7 kN·m；加固前支點剪力165.8 V（kN），加固后支點剪力165.8 V（kN）；

人群荷載標準值:加固前跨中彎矩118.7 kN·m，加固后跨中彎矩118.7 kN·m；加固前支點剪力21.8 V（kN），加固后支點剪力21.8 V（kN）；

汽車荷載標準值:加固前跨中彎矩453.2 kN·m，加固后跨中彎矩702.0 kN·m；加固前支點剪力0 V（kN），加固后支點剪力205.0 V（kN）。

3　加固前驗算

3.1加固前承載能力極限狀態計算

一般取彎矩最大的跨中截面進行正截面承載力計算。在已知受拉鋼筋中，632的面積為4 826 m m2。616的面積為1 206 m m2，=280 M Pa，見圖2，可求得為：

則實際有效高度h0=1 350-105=1 245 m m。同時已知主梁混凝土等級相當于C25，查得fsd=11.5 M Pa，fsd=1.23 M Pa。

圖2　鋼筋布置圖（單位：mm）

3.2正截面承載力計算

根據截面配筋情況，可求得正截面抗彎承載力Mu為：

另外加固提載后，跨中截面彎矩設計為2 386.7 kN·m＞M。，因此，原截面配筋能夠滿足原荷載等級汽車-13級、掛車-60的要求，但是不能滿足公路-Ⅱ級的荷載等級要求。

3.3體外預應力筋面積估算及布置

體外預應力筋截面面積估算：按構件正截面抗裂性要求估算預應力鋼筋數量對于A類部分預應力混凝土構件，根據跨中截面抗裂性要求，由式可得跨中截面所需的有效預加力為：

Ms=MG+0.7MQ+MR=1 513.8 kN·m

設預應力鋼筋截面重心距截面下緣ap=60 m m，則預應力鋼筋的合力作用點至截面重心軸的距離為ep=yb+ap=977 m m；在進行鋼筋估算時，截面性質近似取全截面的性質來計算，跨中截面全截面面積A=388 200 m m2，全截面對抗裂驗算邊緣的彈性抵抗矩為Wx=80.125×106m m3；所以有效預加力合力為：

體外預應力的張拉控制應力為1 209 M Pa，簡支梁體外預應力筋按直線布置，其預應力損失相對體內曲線筋較小，按張拉控制力的15%估算，則可得需要預應力鋼筋的面積為：

體外預應力筋布置：采用斜撐式體外預應力筋加固方式，既能明顯提高跨中斷面的抗彎能力，又能改善斜撐內斷面的抗剪能力，預應力施工又很方便，其中，水平筋采用8根無黏結預應力鋼絞線，預應力筋長度為16 300 m m；斜撐采用槽形鋼，見圖3。

圖3　體外預應力筋布置圖（單位：mm）

預應力效應計算：根據體外預應力筋的布置形式，本算例體外預應力損失中應考慮：錨具變形、鋼束回縮和接縫壓密引起的預應力損失、分批張拉引起的構件混凝土彈性壓縮預應力損、鋼筋松弛引起的預應力損失終極值，另外，還應考慮溫差引起的預應力損失。

（1）錨具變形、鋼束回縮和接縫壓密引起的預應力損失σl2：

（2）溫差引起的預應力損失:當鋼筋外露且與梁體混凝土無黏結，且外界環境溫度高于施工張拉溫度時，由于鋼筋與混凝土的線膨脹系數不同，將引起預應力鋼筋中的應力損失。取年最高溫度與施工溫度之差為At=25℃，則溫差引起的預應力損失為：

（3）分批張拉引起的構件混凝土彈性壓縮預應力損失

對多根主梁組成的橋梁進行體外索加固，當采用分批張拉時，分批張拉順序可由中梁開始，逐步向兩側邊梁對稱張拉，亦可由一側邊梁開始，逐片張拉。無論采用哪種張拉順序，張拉后面的各梁時，通過橫隔板的傳遞作用，都將對先張拉各梁產生彈性壓縮，引起張拉各梁的加固筋的預應力損失。工程上可采取對現場鋼筋超張拉或是重復張拉的辦法，調整各梁的預加力，使得各梁最后的實際有效預加力基本相等。因此，經過超張拉或重復張拉工藝，可以認為分批張拉損失σl4近似為零。

4　加固后持久狀況截面承載能力極限狀態

4.1正截面承載力計算

（1）計算受壓區高度：受壓區高度驗算。

則實際有效高度ho=1 350-32=1 318 m m。求得正截面抗彎承載力Mu為

跨中截面正截面承載力滿足要求。

（2）斜截面抗剪承載力計算

體外索加固的T形截面的受彎構件，驗算截面處剪力的組合設計值Vd=564.9 kN；對于鋼絞線γfs=1.47；fcu，k為混凝土強度等級為25 M Pa；腹板厚度b=180 m m，截面有效高度h0=1 245 m m；體外預應力筋（束）在豎直平面內的彎起角度θe=24°。對于橋，由于水平筋和斜筋采用了不同的材料，體外斜筋拉力與水平筋拉力比例系數按下式計算。

顯然，截面尺寸滿足抗剪要求。

4.2抗裂性驗算

抗裂驗算：對于A類體外預應力混凝土加固結構，在作用短期效應組合作用下的混凝土拉應力應滿足《公路橋梁加固設計技術規范》（JTG/T J22-2008）中A類部分預應力構件按短期效應組合計算的抗裂要求，同時，A類體外預應力混凝土加固構件還必須滿足作用長期效用組合的抗裂要求。因此，構件滿足《公路橋梁加固設計技術規范》（JTG/T J22-2008）中A類部分預應力構件按長期效應組合計算的抗裂要求。

4.3主梁變形（撓度）計算

據主梁抗裂性計算結果可知，主梁在使用荷載作用下截面不開裂。主梁計算跨徑L=21.8 m，C25混凝土的彈性模量E。=2.8×104M Pa。為了簡化計算，其全截面慣性矩進行計算。將可變荷載作用簡化為均布荷載作用在主梁上，則主梁跨中撓度系數，荷載短期效應的可變荷載值為M。=601.1 kN·m。由可變荷載引起的簡支梁跨中截面的撓度為7 347 506×104m m。

4.4持久狀況應力驗算

為簡化計算截面抵抗矩取全截面進行驗算。應力計算的作用（或荷載）取標準值，汽車荷載計人沖擊系數。跨中截面混凝土上邊緣壓應力計算值為：

持久狀況下跨中截面混凝土正應力驗算滿足要求。

5　結語

對于中小跨徑的橋梁，鋼筋混凝土和預應力混凝土簡支梁橋是應用最廣泛的橋型。目前，國內外所采用的鋼筋混凝土和預應力混凝土簡支梁橋，絕大部分采用裝配式結構。裝配式鋼筋混凝土簡支梁的常用跨徑為8.0～20 m，當跨徑超過20 m時，一般采用預應力混凝土梁。體外預應力筋（束）加固簡支梁橋布置方式，由于簡支梁橋其受力性能明確，其病害也多為跨中截面承載力不足而導致，為此，不同主梁截面形式的加固體系各有特點，施工難易程度亦不盡相同，但就其發展趨勢而言，多為在梁底沿橋梁縱、橫向張拉或梁頂沿斜筋方向張拉。常用加固體系大致可以分為四類：其一，水平筋和斜筋由兩根粗鋼筋組成。斜筋與滑塊固定，通常張拉水平筋牽動斜筋受力。斜筋的上端可以錨固在梁頂，也可以錨固在腹板上；其二，水平筋和斜筋由一根鋼索組成，一般采用鋼絲繩、鋼絲束或鋼絞線。可以手動葫蘆張拉水平筋，亦可以千斤頂在梁頂張拉斜筋；其三，斜桿采用剛度較大的槽鋼并與楔形滑塊構成一體，水平筋可以用粗鋼筋、鋼絲繩、鋼絞線或高強鋼絲束，采用張拉水平筋的方式對梁體施加預應力；其四，橫橋向張拉水平筋，水平筋錨固在梁截面兩側的高強螺栓型鋼板上。上述四類加固體系及六種情況，除第四類外，盡管錨固形式、張拉方式及所用材料不同，但在計算超靜定內力時均采用統一的計算模型，而在預應力損失計算時則應考慮各自的構造特點。

［1］劉華，朱利明，張軍雷，等.體外預應力加固混凝土橋的鋼結構錨固轉向體系研究［J］.橋梁建設，2010（5）:28-31，42.

［2］黃民元.體外預應力加固的關鍵技術［J］.工程抗震與加固改造，2011（4）:101-104.

［3］高丹盈，房棟，祝玉斌.體外預應力FRP筋加固混凝土單向板受彎性能及承載力計算方法 ［J］.應用基礎與工程科學學報，2015（1）: 115-126.

U445.7+2

B

1009-7716（2016）09-0142-03

2016-06-14

張新（1978-），男，吉林長春人，高級工程師，從事路橋設計工作。