鋼絲繩U型加固承載力驗算及應力損失研究

封明明，汪小鵬

（西安公路研究院，陜西 西安 710065）

隨著國內橋梁數量的增加和服役時間的延長，在高頻重車輛荷載、溫差等各種環境因素長期作用下，許多混凝土橋梁已步入老化期，出現了混凝土材料劣化、鋼筋銹蝕等諸多病害，甚至影響到橋梁安全運營，橋梁的耐久性、安全性受到巨大影響，因此橋梁加固維修已迫在眉睫[1-4]。

預張緊鋼絲繩加固技術是體外預應力加固的一種，由于鋼絲繩具有可彎曲性這種特性，因此在橋梁抗剪加固中可以發揮它的這種長處[5-7]。課題組在室內對預張緊鋼絲繩加固混凝土梁做了模型加固試驗后，在實橋加固中進一步研究了鋼絲繩應力損失以及該加固技術的U型加固方法承載力驗算，為后續混凝土構件預張緊鋼絲繩技術加固做指導。

1 工程概況

某橋為國家高速上的一座大橋，起點樁號K661+848，終點樁號K662+311，總長463 m，跨徑組合為（3×35+4×35+3×35+3×35）m，上部結構采用裝配式預應力混凝土連續箱梁。下部結構采用柱式墩、肋式臺、鉆孔灌注樁基礎。橋面寬度：0.9 m（防撞護欄）+11.5 m（行車道）+0.5 m（防撞護欄）=12.9 m。橋梁設計荷載公路-I級；地震動峰值加速度系數0.1g；橋面鋪裝8 cm厚C40混凝土現澆層+防水層+9 cm厚瀝青混凝土。

經檢查發現在箱梁梁長（0～1/4）L和（3/4～1）L區域內出現了斜向的規則裂縫，裂縫最大寬度0.25 mm，經受力分析該裂縫是梁體抗剪能力不足引起的受力裂縫，需要對梁體及時進行抗剪加固處理，最終選擇使用U型預張緊鋼絲繩技術加固。

2 鋼絲繩U型加固的影響因素

2.1 混凝土構件拐角處摩擦對鋼絲繩加固效果的影響

目前，混凝土梁抗剪區U型預張緊鋼絲繩加固在混凝土結構倒角處，鋼絲繩直接接觸混凝土結構表面，未做其他任何處理，鋼絲繩與混凝土結構表面之間的摩阻，致使鋼絲繩張拉困難，且預應力損失較為嚴重，不能夠充分發揮鋼絲繩的極限強度和確保其使用壽命。為了能克服這種弊病，開發了鋼絲繩分離減磨器。

鋼絲繩分離減磨器由固定錨栓、角板構成（見圖1～圖4），在U型預張緊鋼絲繩加固技術中，在混凝土拐角處安裝固定角板，通過固定角板和鋼絲繩的接觸減少摩擦，通過在角板上刻槽將鋼絲繩進行分離，防止鋼絲繩在施加預應力過程中團簇在一起。

2.2 下料誤差對鋼絲繩加固效果的影響

預張緊鋼絲繩加固技術是在鋼絲繩上施加外加預應力來加固結構件的，鋼絲繩下料直接影響鋼絲繩的施加預應力效果。鋼絲繩的應力和鋼絲繩的長度有密切的關系，其關系式為：

圖1 連接裝置使用示意

圖2 連接裝置結構示意

圖3 連接裝置結構側面

圖4 連接裝置結構展開圖

式中：l實為實際需要的鋼絲繩長度，mm；l固為加固件兩固定端的實際距離，mm；l伸為設計施加預應力值換算鋼絲繩的伸長量，mm；l誤為施工誤差引起的伸長量變化值，mm。

鋼絲繩裁剪前，量取加固件兩固定端的實際距離，去除鋼絲繩預應力引起的伸長量，再減去由于施工誤差引起的伸長量變化值，最后得實際需要的鋼絲繩長度。當下料有微小的多余時，可以通過在錨固端鎖扣處墊鋼片來處理。當固定板由于細微的不平行引起鋼絲繩施加力不一致時，可以通過微型索力儀測試各鋼絲繩的力值，利用在張拉端和錨固端墊墊片的方式來調節各鋼絲繩力值，使每條鋼絲繩力值符合設計要求。

2.3 接頭壓緊對鋼絲繩加固效果的影響

在鋼絲繩預應力加固過程中，預應力的保留是通過鋼絲繩兩端的錨固裝置來實現的，錨固裝置是利用兩個固定板在加固件上固定，再將鋼絲繩兩端安裝鎖扣后，一端先固定在固定板上，另一端通過施加外加力使固定端嵌入固定板得以將預應力保留。

接頭的壓緊程度直接影響預應力的損失，因此在制作鋼絲繩兩端鎖扣時，應按照技術要求做好鎖扣，使鎖扣受力均勻、形狀規范，便于安裝。

3 承載力驗算

3.1 斜截面抗剪承載力極限狀態驗算

對于利用預應力鋼絲繩U型加固的矩形、T形和I形截面的受彎構件，當原構件配置箍筋和彎起鋼筋時，鋼絲繩加固的構件其斜截面抗剪承載力計算應滿足：

其中

式中：ρpv、fpv為預應力鋼絲繩加固引起的構件剪力提升項；Vsb=0.75×10-3fsd∑Asbsinθs；Vpb=0.75×10-3fpd∑Apdsinθp，

式中：fpv為鋼絲繩預應力抗拉強度設計值；ρpv為斜截面內鋼絲繩配繩率，ρpv=Apv/Spb；Apv為斜截面內配置在同一截面的鋼絲繩各支總截面面積，mm2；sp為斜截面內鋼絲繩的間距，mm。

其他符號含義及取值參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2018）。通過在斜截面抗剪承載力極限狀態驗算公式中引入預應力鋼絲繩加固引起的構件剪力提升項，使加固驗算控制更準確，更加精確地進行鋼絲繩預應力加固設計。

3.2 斜截面抗裂驗算

預應力鋼絲繩U型加固的預應力混凝土受彎構件由荷載短期效應組合和預加力產生的混凝土主拉應力σtp和主壓應力σcp，按下列公式計算：

式中符號含義及取值參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2018）。通過斜截面抗裂驗算，使設計施加在混凝土梁上的力滿足要求。

4 鋼絲繩U型加固技術

4.1 加固材料

鋼絲繩選用高強、低松弛、高延性的鋼絲繩。用鍍鋅鋼絲繩（6×7+IWS）公稱直徑4.5 mm，其各項指標見表1。

表1 鋼絲繩性能指標

鋼絲繩固定板選用GDBA-500-4.5-30，固定板采用8.8級M24化學錨栓固定于梁上，采用Ⅰ級改性環氧類聚合物砂漿，基本性能：a）劈裂抗拉強度大于等于7.0 MPa；b）正拉黏結強度大于等于2.5 MPa，且為混凝土內聚破壞；c）抗折強度大于等于12 MPa；d）抗壓強度大于等于55 MPa；e）鋼套筒黏結抗剪強度標準值大于等于12 MPa。

4.2 加固工藝

鋼絲繩U型加固施工工藝：定位放線及打孔植筋→混凝土基面處理→角板及固定板安裝→鋼絲繩裁切→預應力張拉→聚合物砂漿封層。

4.3 施工要點及注意事項

a）定位放線及打孔植筋 按設計圖紙要求的尺寸并結合梁結構實際尺寸,用鋼筋探測儀進行梁錨固區位置的定位放線植筋。

b）混凝土基面處理 將梁體鋼絲繩加固處的表面浮灰清除干凈，露出新混凝土表面，再用抹布擦凈打磨灰塵。

c）角板及固定板安裝 按照設計圖紙在梁體拐角處鋼筋探測儀打孔安裝固定錨栓及角板，并將固定板安裝在梁體設計的位置。

d）鋼絲繩裁切 鋼絲繩裁切時依據計算公式先計算好鋼絲繩的長度再裁切。

e）預應力張拉 將鋼絲繩兩端用端頭器制作卡頭，將鋼絲繩固定端安裝在固定板上，并安裝銷固卡，另一端用張拉器進行張緊，張拉力值用微型索力儀進行控制，利用力值調整措施進行校正。

f）聚合物砂漿封層 在張拉調整完后，將鋼絲繩網內雜物及粉塵清理干凈，在整個加固面噴涂界面劑，注意不能留死角，將拌好的聚合物砂漿分3次逐層壓抹3 cm將鋼絲繩封住，最后將表面壓抹平整并養護。

4.4 質量標準及驗收

a）新舊混凝土結合強度是新結構受力的薄弱環節，為保證有效黏結，原結構基層必須進行打磨露出完好混凝土并鑿毛，且要求表面必須平整無灰塵。

b）鋼絲繩的張拉強度是加固成功的關鍵，張拉力必須達到設計要求，張拉強度控制采取鋼絲繩伸長量和索力儀微調雙控制。

c）用小錘敲擊，檢查鋼絲繩加固體與舊混凝土粘貼面是否有剝離現象。

5 結論

在使用預張緊鋼絲繩加固技術進行混凝土構件抗剪加固中，抗剪加固設計計算和減少預應力損失是保證該技術加固效果的重要過程。通過在斜截面抗剪承載力極限狀態驗算公式中引入預應力鋼絲繩加固引起的構件剪力提升項，更加精確地進行構件抗剪承載力驗算；通過在混凝土拐角處設置鋼絲繩減磨分離器，控制鋼絲繩下料長度，在接頭處墊片措施減少預應力損失，促進了該加固技術在混凝土構件抗剪加固中的應用。