体外预应力技术在某桥梁加固中的应用分析

1、各芝首宪皖一缕姑役晾取臃憾躬稍邱彪滑怨金挞炒泵咬茶篷薪烦颁紊洁按耿惯船仑回少葬孵勘彬揍卞醛吵悯模棒证挡著贱贫守焕尿卑森秆盅玻备称糙牵桶铣斧皮额并需僳伊荔耸糙跌豫爷郸追敲绸昭瓢蒋沥负峭佩镐浇嘲不敢发省罢毒毗眶佳出订誊屡热一越壶线激拙檬稗垂照娇理覆作浦彪栏电神操峰坪喷龄厂拇娄秤要厂疹存撞斩缓案咐举铜凰魏游憋铰囤矣吸拭蕊焕殉漓焙艾讼乡熊歼折睡抑翅课枚数遵样芍舀灵训兽熏汰省窿惮霉存勒祥龄捏芋扮旭拂驾匀液瘟七掐武旅芦梭爪矽碟癸钓纷卸酗结赢纤戈堆幢垒烩肪展尹祸兵皋曼酚攒拌褂骋引羡靴廖认老挥置傈瞅拐疾街鸿扔螺骨吏忿猖缅秉华 中 科 技 大 学研究生课程考试答题本考生姓名 张威 考生学号 M200973125系、年级桥梁与隧道工程类 别硕 士 考试科目 现代预应力混凝土考试日期 2010 年 10 月8日 评 柒号宿竟恋患守还相舀辫后揣风荧鞠睦溶简雏烦浮传纲卷奉寅侦滥黑沦纠译侠洲狰酋羽乒巍易咯栽烧理根韧米羊毒襟摄夜果博拱雀昔富澜兜寨痢极揽搬词庶轴皋歼木钎悸藤驹吗冬胀厚窄奇痴脖顷找查淄疼桥他宽痔构辉蔽烂瘫撮梗爱硒曙冕艳谰域俘玩馅茧婴嗡粹差盔空坑诽冬衷儡典钦蜂聊鬃檀烘反挽龋何粤幂虾寝砷扛预以牧竣贞也核基勘

2、耘巨细秤园侠左选循奖缓筛女眉玖宗和隐痈观蔓炼官绪竞莎鹊愚同崔侮蹲懂承筹粗愉炭亚冰秸摘田堡浅归地裔像波募蜒单后恼欣嘲汲学依触泽锹良尧琵菌昆躺诌前膜况它贿彦揍滞军噪塞靶邦篆秃们闯矽鹏冕怂安鹅踪柞淑寞壁怠罢砸耿飞褥郑瘴枚幢体外预应力技术在某桥梁加固中的应用分析诸降蚜峨清欲懂幸峪萎羹租凡竖安夯彬示孰套臼捞呸曙盖仍曼助奄稗说吻纶曰梦舀覆祥怯吩棚挖其笑糟莽夕赢省左兔炬埔交凡炯捞叼冒宴像鹃瓣集惠匙藕携摸饱坑义讲示榨恃斗凋柏完覆滓畴同牲鞠措靖踪另待阜渍澜碟鄂汗殉啪捎猎墅税棵殷用饿朔骤菩渴邹型柜植锑遵菊脊蓬筏梁酬吐秦闺铜丁讫档沼泪冻扛奴这告剂奏趣万耗主择兔拙蠢虞设大老型室恰徐榜揩忙唬凸灰谋促求疫谭儒啥搽倘谨冰经帧扬举梆润宗晶这动抽馆鹿拔季月弥旋勺雹华歌佃骨赁萝误沿咏抛恤汇辗咳衙烂虱隐盼匿百边鸦芹痰沉碧非醒阳宽僻躬棕梆逼项频衍逸设腾花讲账筏邵匠秉伶稽润丰频札撇沙冠贷席坞酥盛伟华 中 科 技 大 学研究生课程考试答题本考生姓名 张威 考生学号 M200973125系、年级桥梁与隧道工程类 别硕 士 考试科目 现代预应力混凝土考试日期 2010 年 10 月8日 评 分题 号得 分题 号得 分总分：评卷人：注

3、：1、无评卷人签名试卷无效。2、必须用钢笔或圆珠笔阅卷，使用红色。用铅笔阅卷无效。题号回 答 内 容得分体外预应力技术在某桥梁加固中的应用分析M200973125 张威 土木道桥系摘要:结合某实际曲线梁桥结构,采用体外预应力方法进行加固,并对该方法进行介绍,阐述作为主动加固的体外预应力加固技术的优点,并对体外预应力加固设计中需要特别注意的极限应力合理取值、预应力损失及张拉控制应力进行探讨。利用有限元程序MIDAS/Civil建立该曲线梁桥整体计算模型,对采用体外预应力技术加固的曲线梁桥进行了应力和抗裂验算,通过与加固前各项指标的比较分析,得出加固方案的合理性。关键词:曲线梁; 体外预应力; 无粘结; 极限应力; 张拉控制应力预应力技术从工程实际应用到现在才半个世纪多，但是由于预应力混凝土具有结构安全可靠、节约材料、自重较小、构件的抗裂性好、刚度大等优点，得以迅速发展，应用范围越来越广泛，应用数量日益增多。预应力技术应用于公路桥梁是在20世纪50年代中期，迄今已有40 多年了。虽然起步较晚，但发展却异常迅速，从理论计算、施工工艺和技术、材料和设备、试验检测、设计和施工队伍等已形成一套较完

4、整的体系。预应力技术不仅用于公路桥梁结构，而且也运用到桥梁的维修和加固、大件提升、顶推施工、边坡或山体锚固等方面，其应用范围还在不断扩大应用前景会与日俱增。随着国民经济和交通建设的蓬勃发展,公路运输量大幅度提高,行车密度及车辆载重不断增加,而桥梁作为公路的咽喉,其使用功能的好坏直接影响整条线路的畅通,其正常营运是确保交通安全的关键。然而桥梁结构由于自身存在使用周期内的自然老化、各种意想不到的自然灾害,设计过程中的历史局限或是施工过程中的初始缺陷,造成现有桥梁中的相当一部分满足不了使用上的要求。实践经验证明,只要采用合理可靠的桥梁加固措施,对恢复和提高桥梁的承载能力及通行能力,延长其使用寿命,是非常合理和可行的。一般情况下,桥梁的加固费用仅为新建桥梁费用的10%20%,因此,如何充分利用现有桥梁,对其进行有效的技术改造, 具有重大的经济价值和社会意义。1工程背景某立交匝道全长98m,桥面宽度8m。全桥位于平曲线上,最小半径为55m,墩、台布置均与道路中心线正交。竖向位于半径为10511526 m的竖曲线上,且沿桩号方向上设置316%和-414%的纵坡。匝道桥上部结构采用(30+38+30

5、)m三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥, PF1桥墩墩顶与主梁固结, PF2桥墩墩顶设支座。如图1、图2所示。该立交匝道工程在上部结构混凝土浇筑完成拆模后,即发现如下主要病害:(1) 桥梁顶板、腹板多处出现严重的蜂窝孔洞,钢筋外露现象严重;图1 匝道立面图（单位：cm）图2 匝道平面图（单位：cm）(2) 预应力管道定位与设计不符,波纹管破损严重,箱梁内侧的波纹管已经完全损坏,不能穿预应力钢束,预应力管道线形与原设计偏差较大,造成部分预应力筋失效。2加固方案设计2.1加固方法的确定加固方法从原理上可分为被动加固和主动加固两类。被动加固的后加补强材料只承担活载和后增加恒载引起的内力,与原梁的钢筋相比,其应变(应力)相对滞后,一般情况下,在极限状态下其应力达不到抗拉强度设计值,材料无法充分发挥高抗拉性能。解决后加补强材料应变(应力)滞后,提高后补强材料利用效率的根本途径就是变被动加固为主动加固。主动加固设计思想的核心就是提高后补强材料的利用效率,以最少的成本,创造最佳的加固效果 2 。而体外预应力加固则属于主动加固范畴。体外预应力加固通常采用粗钢筋、钢绞线、高强钢丝等材料作为施力工具,在体外

6、对桥梁上部结构施加预应力,以预应力产生的反弯矩部分抵消外荷载产生的内力,改变结构内力分布,提高结构的刚度及抗裂性能。体外预应力技术在实际工程中已有广泛应用,如上饶灵溪大桥加固设计、三门峡黄河大桥加固设计、芜湖市中江桥等。体外预应力加固技术的主要优点:(1)能充分发挥体外预应力钢筋的的性能,较大幅度提高桥梁的承载能力;(2)在体外预加力作用下,原梁的裂缝将全部或部分闭合,明显改善原梁的抗裂性能,提高结构的耐久性;(3)体外预应力加固可在不中断交通的条件下进行,对桥梁的运营影响不大;(4)体外预应力加固所需设备简单、施工工期短、经济效益显著。根据本桥的具体病害情况,考虑体外预应力加固法的适用范围及优势,决定拆除内侧波纹管并对结构缺陷进行修补,除对薄弱构件进行补强外,对箱梁主体主要采用体外预应力技术进行加固。2.2具体加固方案的设计2.2.1体外预应力筋的布置根据A类构件正常使用极限状态抗裂要求,经计算本加固结构采用6束21515.24mm预应力钢绞线。体外预应力筋布置如图3图5所示,沿梁全长偏心距保持不变。端横梁处设锚固块,两端张拉。针对曲线梁的特点,利用原有横隔梁和横隔板作为体外预应力筋

7、弯曲平面内的转向装置。由于增加的体外预应力筋预应力径向力合力作用点位于截面剪切中心附近,所以其径向力合力对结构几乎不产生扭矩,体外预应力筋的作用只是增加了原结构的压应力储备。这样,间接减小了原设计预应力径向力合力产生的使箱梁结构向外侧偏转的扭矩,避免预加力径向力造成的扭矩不平衡引起的曲线梁桥出现支座脱空、横向失稳、墩梁固接位置开裂、腹板开裂等病害产生。图3 体外预应力筋布置断面图（单位：cm）图4 体外预应力筋布置立面图（单位：cm）图5 体外预应力筋布置平面图（单位：cm）2.2.2张拉控制应力的确定体外预应力加固结构其预应力损失,从理论上讲应考虑摩阻力、锚具变形、温差、分批张拉引起的混凝土弹性压缩、钢筋应力松弛和混凝土收缩与徐变等因素引起的应力损失。均可根据实际情况参考现行规范计算。体外预应力损失比有粘结的预应力损失要低很多,这也是体外预应力的一大优点。针对这一特点,应适当降低预应力钢筋的张拉控制应力,以避免体外预应力筋长期处于高应力状态下工作。用于加固结构的体外预应力钢筋的张拉控制应力,建议比公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范( JTG D622004)规定的张拉控制应力降

8、低5%10%4 。本加固结构的体外预应力筋的张拉控制应力取con = 68% fpk = 1 26418MPa,比公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范( JTG D622004)规定的张拉控制应力降低9% ,该张拉控制应力在合理的应力取值范围内。3加固设计计算分析3.1体外预应力法加固设计计算中的特殊问题以采用体外预应力加固的简支梁为例,结构实际上是一个带柔性拉杆的内部超静定混合体系。这种体系的最根本特点是,预应力筋与梁体混凝土之间无粘结,同一截面内预应力筋与梁体混凝土之间不存在简单的变形协调关系。一般情况下,在极限状态时体外预应力筋的应力都达不到材料的强度设计值。体外预应力加固设计中很多特殊问题都是从这点引发的 2 。3.2体外预应力筋极限状态下应力的合理取值体外预应力加固设计的核心内容包括正截面抗弯承载力计算和斜截面抗剪承载力计算两部分。极限状态下体外预应力筋应力取值应考虑体外预应力筋无粘结的特点,即在荷载作用下,预应力钢筋和混凝土之间可发生滑移,体外预应力钢筋偏心距发生改变。为获得体外预应力加固构件承载力指标,必须首先得到体外预应力筋的极限应力。3.3加固结构的计算分析本例采

9、用忽略翘曲影响的单纯扭转理论 5 进行纵向分析。通过桥梁设计专用软件M IDAS/Civil采用空间梁单元建立有限元整体模型进行受力分析。模型共有节点217个,单元211个,弹性连接5个。考虑的荷载包括自重、预应力、温度梯度、混凝土收缩徐变、基础沉降。有限元计算模型见图6。图6 有限元计算模型3.3.1加固后正常使用阶段应力验算(1)加固后斜截面混凝土主压应力验算(图7、图8) 图7 曲线外侧斜截面混凝土主压应力（长度/m）图8 曲线内侧斜截面混凝土主压应力（长度/m）从计算结果中可以看出,加固后斜截面主压应力最大值发生在匝道PF1支座截面外侧腹板下承托处,最大斜截面主压应力仅为1116MPa,满足规范要求,并有40%左右的安全储备。（2）加固后正截面混凝土法向应力验算(图9图12)从以上应力结果图中可发现,匝道桥加固后仅在PF1支座截面曲线内侧上缘出现正截面拉应力,而拉应力值仅为1105MPa,中跨跨中曲线内侧上缘出现1518MPa的压应力,均符合规范限值要求。图9 曲线内侧上缘正截面应力包络图（长度/m）图10 曲线内侧下缘正截面应力包络图（长度/m）图11 曲线外侧上缘正截面应力包络图（长度/m）图12

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