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[分享] 桥梁结构预应力加固体系--有粘结预应力加固 [复制链接]

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崛起的雄狮 发表于 2013-1-7 14:08:38 |显示全部楼层 |          |
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3 k# C2 K- L3 L+ h' A+ V 桥梁结构预应力加固体系 * c |" f, i1 F6 p% i( T. K; y—有粘结预应力加固; K! w% P+ p' b: i ) J9 k W3 `4 w; n2 E5 ` 哈尔滨工业大学 张树仁 0 q2 b& t7 \% h( O7 s$ ^ 1 从被动加固到主动加固的思考7 d1 L- {* f+ @* s5 ] 1.1 桥梁加固设计的特点 g2 E. f2 f7 U6 v 桥梁结构自重大,一般均采用带载加固。构件自重及先期恒载产生的内力由原梁承担,活载(车辆荷载)及后加恒载产生的内力由加固后的组合截面承担,加固设计计算必须考虑分阶段受力的影响,这是桥梁加固设计区别于一般结构设计的最大特点。( r# X. j$ z3 C : U' {" G7 `# U2 d: d) g0 t/ N1.2预应力主动加固 1 M x4 k" V7 y 对布置在被加固构件受拉区(或抗剪)薄弱区的后加补强材料施加预应力,形成预应力加固系统,例如:体外预应力加固和采用锚固于被加固梁体上的预应力筋,然后喷注高性能复合砂浆,将其与被加固梁体粘结为一体的有粘结预应力加固等。 - r- c+ D1 A* V; g0 Q3 t* W 从工作原理上讲,预应力加固属于主动加固,后加补强材料主动受力,靠预加力的作用,改善原梁的工作状态,间接达到加固补强的目的。9 G- Z- T2 b. h) x* ^; `' A1 i 1.3 后加补强材料应变(应力)滞后 / q# t1 z* u5 |8 z# Z 直接加筋类加固构件后加补强材料只承担活载(车辆荷载)及后加恒载产生的内力,与原梁钢筋相比,其应变(应力)相对滞后,一般情况下在极限状态时,其应力是达不到抗拉强度设计值。1 v: K& p0 Z' r0 A/ N 4 g9 \- i/ h! G% q6 l 计算结果表明,采用直接粘结高强复合纤维的被动加固方案,由于受分阶段受力的影响,后加补强材料应变(应力)滞后,后加补强材料的高抗拉性能很难发挥作用,“大马拉小车”是一种极大的浪费。特别是在倡导建设节约型社会的环境下,这种盲目的浪费是值得我们深思的。 + X7 w5 V' e9 B# C. |) @+ k1.4 解决后加补强材料应变(应力) 滞后的根本途径 3 C4 R8 j1 d1 m) H! p6 S: ] 解决后加补强材料应变(应力)滞后的根本途径是变被动加固为主动加固,对后加补强材料施加预应力,做成预应力加固体系。" Z4 A: o- W9 r' Y/ a; ` 靠预应力筋的主动受力,从根本上解决后加补强材料的应变(应力)滞后,提高后加补强材料的利用效益,以最少的成本,创造最佳的加固效果。 ) K% A5 X4 o. q" r9 D2 积极推广预应力主动加固技术是承载力加固的首选方案 + x* r, B1 B1 {1 L5 F 承载力加固是确保结构安全工作的基础,设计时必须考虑桥梁带载加固分阶段受力特点,后加补强材料应变(应力)滞后是影响加固构件工作性能、制约后加补强材料利用效率和控制加固工程成本的瓶颈。/ e( R8 ?% s2 b/ M- { 预应力技术是20世纪最具革命性的结构构思,已广泛用于土木和建筑工程。8 a0 [) T5 m, s5 H- x 针对桥梁带载加固后加补强材料应变(应力)滞后的先天不足,预应力加固技术在桥梁加固中的应用具有更为特殊的意义。# k) i. V2 c0 F 预应力加固从根本上解决了后加补强材料应变(应力)滞后问题,可以充分发挥后加补强材料的抗拉性能,提高后加补强材料的利用效率;由于预加力的作用改善了原梁的应力状态,可以提高原梁的承载力和抗裂性能。( W. Y) a$ T4 j+ ]6 ^) L 正截面抗弯加固要加预应力,斜截面抗剪加固也要加预应力。% w; W& x& c$ G0 A$ S 2.1桥梁结构预应力加固体系 有粘结预应力加固体系 9 S; n: w3 S, ` 有粘结预应力加固体系是采用锚固于被加固梁体上的高强钢丝,2~3股钢绞线或小直径粗钢筋,对梁体施加预加力,然后喷注具有较高抗拉强度的复合砂浆,将预应力筋与被加固梁体粘结为一体,构成有粘结预应力加固体系。) x/ v# O! n4 ?. d: W) n2 d6 r 2.2 有粘结预应力加固 所用材料及构造要点 ) ^& p6 U9 v' l4 M(1) 预应力钢筋种类、张拉和锚固 - Y3 i+ Y, e5 O' ]9 B: W ,用于有粘结预应力加固体系的预应力钢筋,可采用2股或3股钢绞线、高强螺旋肋钢丝、小直径精轧螺纹钢筋等国产钢材。 F3 m- P6 }) A1 \# x8 m 由于用于旧桥梁加固的预应力筋应力损失较小,张拉控制应力较低,对某些情况下(例如斜截面加固)甚至可以采用小直径的HRB400和HRB335热轧钢筋做预应力筋。 l- \1 Q" V8 n4 l0 p# F3 m @/ y 小直径精轧螺纹钢筋采用配套的螺帽固,采用测力扳手扭紧螺帽的办法进行张拉。 7 ]: n7 P! Q/ j6 B' L* V 2股或3股钢绞线采用配套的夹片锚具锚固,采用小型千斤顶进行张拉。: z3 H. ?9 g- g* C; k 小直径热轧钢筋采用与锚固于梁体上的钢垫板焊接,采用横向拉紧变形法进行张拉。/ X* k# r7 }" P7 w5 v Q4 } 预应力筋采用锚固于梁体上的支承角钢(或垫板)固定,支承角钢(或垫板)与被加固梁体的锚固方式因原梁钢筋布置的情况而异,可以采用膨胀螺栓(或植筋),亦可采用膨胀螺栓(或植筋)与胶结(或焊接)相结合的方式。8 ^4 y5 L: }, H3 ~% ^" h8 L (2)高性能抗拉复合砂浆 选择和喷注厚度 * R4 f# f3 \( q/ K 有粘结预应力加固体系依靠喷注的高性能抗拉复合砂浆,将预应力筋与被加固梁体粘结为一体,构成有粘结预应力加系统. 8 N9 V* L" u8 H0 @4 i 后喷的高性能抗拉复合砂浆与原梁混凝土的可靠粘结是保证两者共同工作的基础.. [, Q6 ^8 ~( s+ [ 复合砂浆的高抗拉性能和抗碳化及有害介质的侵蚀能力是保护钢筋免于锈蚀,提高结构耐久性的前提。 : c8 Q/ h( U1 y/ T3 {预应力锚具、前卡式千斤顶、泵站 4 p& |$ t% N& N0 P2. 3 有粘结预应力加固案例分析# _+ N' V4 j( s9 Y (1)用有粘结预应力体系对钢筋混凝土T形梁进行正截面抗弯加固; K1 D2 P; S2 k- t6 K: W# { 图1所示为采用有粘结预应力体系对钢筋混凝土T形梁正截面抗弯承载力加固补强的构造示意图。 ' U" H" K v/ [) M. z" { 在梁肋的底面增设预应力钢筋,其数量由受力要求确定,预应力筋长度,应根据全梁各截面的抗弯承载力要求确定。0 z% m# R a. W$ O% O (2)采用有粘结预应力体糸对钢筋混凝土T形梁进行斜截面抗剪加固 B* ]- J; \4 }$ D0 \ 图2为采用横向拉紧变形法张拉的有粘结预应力斜截面加固示意图。3 y6 I6 S! o% y" W 在靠近支点的第一个横隔梁区段范围的腹板上出现大量的斜裂缝,主拉应力过大,斜截面抗剪承载力不足。 / L- D) _0 a3 ?; V 采用横向拉紧变形法张拉的有粘结预应力斜截面加固方案。# M* i6 C+ @& ]1 ?6 X& b (3)采用有粘结预应力体系对空心板梁进行正截面抗弯加固8 w. [& s* x5 W k) T) k2 O" L' L 图3所示为采用横向拉紧变形法张拉预应力对空心板梁桥加固的构造示意图。 ! B; u8 g, Z+ a9 `; k- J* T; P+ s 在板底增设平行布置的小直径(φ12~16)普通热轧钢筋(HRB 355或HRB 400),钢筋间距为(100~200 )mm。 ( h. }( L0 l9 @8 Q 钢筋两端焊接在固定于原梁底板两端的锚固钢板条上。' U! x; x' P/ B- e1 z) {3 w 在钢筋的中部位置,对相邻两根钢筋施加横向拉紧力,将钢筋拉紧并固定呈折线形(图3a 和图3b )。 3 }& w/ B3 F: u* U/ W2 .4 有粘结预应力加固效果分析4 z- e+ Y2 y+ D: W 理论分析和工程实践表明,采用有粘结预应力加固体系对T形梁、空心板及箱形梁桥的正截面进行加固,可以根据结构受力要求,较大幅度地提高梁的正截面抗弯承载力; : }5 Z/ z' y, h0 S& D: Z" @3 I7 f( B 在梁底喷注的复合砂浆,可以保护后加预应力筋免于锈蚀,在腹板两侧喷注的复合砂浆增加了混凝土保护层的厚度,提高了原梁混凝土抗碳化和抗有害介质侵蚀能力,减缓原梁钢筋的腐蚀速度,提高了整个结构的耐久性。5 y" T. U4 q6 i) ] 此外,后喷注的复合砂浆层加大了原梁的截面尺寸,提高了结构的抗弯刚度,对解决活载变形或振动过大问题也是有利的。 0 i6 E) N5 ~$ \" l6 p0 m7 P6 d 采用横向拉紧变形法张拉的有粘结预应力斜截面加固方法,构造简单,施工方便,可以有效地提高加固材料利用效率,提高斜截面抗剪承载力,两侧喷注的复合砂浆,加大了腹板厚度,既可减少主拉应力,又可保护钢筋免于腐蚀,提高了结构的耐久性。 Z9 ^, C) p: T* g. x" ^+ ?+ y & `1 H/ [7 M4 t. }! o 综上所述,采用有粘结预应力加固体系,可以达到承载力加固和耐久性加固的双重目的,既可提高结构承载力,以满足提载加固的受力要求,又可全面提高原梁的耐久性,延长结构的使用年限。同时对解决结构变形和振动问题也会有所帮助。 , A* P% e5 E, S河北省京沪高速漳卫新河岔河 大桥加固(2006年) 3 Z. S! Q, W p. X8 e' q' h. B0 ?山西省太旧高速公路太原武宿立交 L匝道桥加固(2008年). l5 U) U" b' ~* O 有粘结预应力斜截面抗剪加固试验研究 " ~& a, y( ^) J9 J' }/ U (2009-2009年) : P: i: d# _/ j, G- B试验研究的主要目的是: 0 ^- [1 q0 X+ z u. V+ R(1)探讨有粘结预应力斜截面加固破坏理; , Z Z: T; G& m8 l$ g. E(2)验证加固效果;; c" S a3 ?* W$ V) s (3)在试验研究的基础上,建立和完善有粘结预应力斜截面加固设计方法。 1 [: {* u J/ v6 P6 F" A: U 本试验的特点是采用带载加固,模拟桥梁加固构件的实际受力情况,即在施加并维持一定的一期荷载作用下,进行斜截面加固补强,待后加补强材料与原梁粘结为一体后,继续施加二期荷载,直至构件最后破坏。7 v1 K4 r, E4 M$ r; ?4 q 试验结果分析 q J3 G9 ?* }% [' P- x (1)试验结果进一步验证了在桥梁加固构件斜截面抗剪承载力计算中应考虑分阶段受力影响的必要性。 8 t' j8 k% x; V3 w5 j 与受弯构件正截面抗弯加固相比,在斜截面抗剪加固中后加补强钢筋(钢板)应变(应力)滞后的影响更为突出。因为在二期荷载作用下,斜截面抗剪加固区段(一般为 L/4至支点段)梁的变形相对较小,依附其上的后加补强箍筋(钢板)的应变(应力)增量是很小的(见图1.11)* O; \7 f v3 m$ o0 P L& z2 c1 f8 |, M4 [; h* c : I+ z$ u( i8 K" I& ?: \ (2)试验研究表明,对后加补强竖向钢3 Q, s& s2 ~7 B9 B- u! B 筋施加预应力,充分发挥后加补强材料 5 X8 @2 ?# m' z8 G1 M$ x的利用效率是提高斜截面抗剪加固效果* X- v, ?0 D$ e M% A+ ]1 s4 b3 L! j 的根本途径。( n) L# P: M7 |- ^( M' @ (3)试验结果间接地验证了加固前斜裂缝对混凝土抗剪承载力的影响及其修正系数取值的合理性。 7 [, L0 i" B. G) M% Z! ^% l# D(4)试验结果间接地验证了后加补强竖向钢筋(箍筋)承载力近似计算方法及其修正系数取值的合理性。% c1 A7 X% n/ s D & Q2 l7 p1 U* _' W, \% C # V: a/ W& T, t0 A# B 笔者与辽宁省大通公路工程公司合作,将上述研究成果用于在辽宁大洋河大桥、苏北大桥、后丁香大桥和平顶堡大桥等四座预应力混凝土连续箱梁桥腹板抗剪加固。施工简单,加固效果显著。- m7 R. E, \, j. b! v/ m4 c3 Q) v7 i; \( J, P- G2 @3 L( t& u9 ^ 有粘结预应力加固体系加固设计思想先进,以其加固效果显著、结构耐久性高、预应力锚固简单和施工方便的综合技术优势,受到国内外土木工程界的重视。 ^9 a2 {$ }4 B* D5 h 3《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》与《预应力混凝土钢绞线》 6 I: ]; V1 @ y Y& Z& H z2 { 3.1钢筋品种主要来自最新颁布的国家标准,有以下几点说明:肋钢筋HRB335、HRB400《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》,HRB335、HRB400为钢筋牌号,其中尾部数字为强度等级,HRB335相当于原标准Ⅱ级钢筋,HRB400相当于原标准Ⅲ钢筋,该钢筋公称直径d=6~50mm,其中d=22mm以下以2mm递减,d=22mm以上为25、28、32、36、40、50mm; : ^' d, ~8 {# ?$ @% x" O5 y$ r5 @" u* W8 O0 t2 N% n - l6 X0 q$ _8 r x7 A- t% j# y& e3 u! f$ b3 M t% R 3.2《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T5224--1995),该标准列出了三种规格的钢绞线,其中用两根钢丝(1×2)和三根钢丝(1× 3)捻制的钢绞线,七根钢丝(1×7)捻制的钢绞线,它们的公称直径本规范作了如下选用:两股钢绞线d=8.0、10. 0、12.0mm;三股钢绞线d=8. 6、10. 8、12.9mm;七股钢绞线d=9.5、11.1、12.7、15. 2mm。! W) k8 r k0 Q W: L! g/ z1 `7 ^" Z% b$ V5 ^2 ~4 C3 F& N& p& L# o1 _( H0 E9 ~% a6 l 3.3钢绞线和钢丝的抗拉强度标准值,取自现行国家标准规定的极限抗拉强度。按照最新国家标准的规定,钢绞线和钢丝的条件屈服点为其抗拉强度的0.85倍,考虑原规范钢绞线和钢丝的安全系数在设计强度的基础上再取1.25,因此,本规范钢绞线和钢丝的抗拉强度设计值取为fpd=fpk×0.85/1.25=fpk/1.47,即将其抗拉强度标准值除以材料分项系数γfs=1.47而得。 精轧螺纹钢筋的抗拉强度标准值,取自现行企业标准的屈服点,材料分项系数与普通钢筋的相同,γfs=1.2。: E6 a5 t) V1 ~" }& B. u: k4 E ]- Q& O4 Q: L; H 3.4 钢筋抗压强度设计值fsd'/或fpd'按以下两个条件确定: 1)钢筋的受压应变ε’s(或ε’p)=0.002; 2)钢筋的抗压强度设计值fsd'(或fpd')=ε'sEs(或ε'pEp)必须不大于钢筋的抗拉强度设计值fsd(或fpd)。 例如,HRB335级钢筋fsd'=0.002×2.0×105 =400MPa,该值大于钢筋抗拉强度设计值fsd=280MPa,,取fsd'=280MPa;抗拉强度标准值fpd=1860MPa的钢绞线,其设计值fsd'=0.002×1.95×105=390MPa,该值小于抗拉强度设计值fpd1260MPa,取fpd'=390MPa。# U+ J* z0 Z# G: X0 p5 x1 A (此文章原创作者为张书仁教授,意和大家分享这种加固理念)! s+ R6 o2 C& S : G8 f& K! Y, ~1 r5 [
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