鐵路橋梁加固（三）
第四節(jié) 體外預(yù)應(yīng)力加固方法與技術(shù)
一、預(yù)應(yīng)力加固法基本概念
預(yù)應(yīng)力加固是指運用預(yù)應(yīng)力原理，在增設(shè)構(gòu)件(以下簡稱“加固件”)或原有構(gòu)件(如主梁梁體)中，施加了一定初始應(yīng)力(即預(yù)應(yīng)力)的一種加固方法。
對于鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土梁板，采用對受拉區(qū)施以預(yù)加壓力的加固方法，可以抵消部分自重應(yīng)力，起到卸載作用，從而能較大幅度地提高梁的承載能力。
用預(yù)應(yīng)力方法加固橋梁結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮的主要問題有：施加預(yù)應(yīng)力方式方法；預(yù)應(yīng)力損失的估計和減少預(yù)應(yīng)力損失的措施；以及預(yù)應(yīng)力加固的計算等。
1. 施加預(yù)應(yīng)力常用方法
用預(yù)應(yīng)力法加固鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土梁板，其加固件一般采用鋼桿、粗鋼筋或鋼絲索等鋼材，施加預(yù)應(yīng)力的方法有縱向張拉法、橫向張拉法和張拉鋼絲束等?？v向張拉法在施加的預(yù)應(yīng)力數(shù)值較小時可采用螺栓、絲桿、花籃螺絲等簡易拉緊器進行張拉。在施加的預(yù)應(yīng)力較大時，可采用手拉葫蘆、千斤頂張拉或電熱法張拉。橫向張拉法基本原理是在鋼拉桿中部施加較小的橫向外力，從而可在鋼拉桿內(nèi)獲得較大的縱向內(nèi)力。由于橫向張拉外力一般并不很大，采用螺栓、絲桿、花籃螺絲等簡易工具即可。鋼絲束通常通過錨具用千斤頂進行張拉，如果張拉要求不高，可以采用撬棍等工具絞緊鋼絲繩束亦可產(chǎn)生預(yù)拉應(yīng)力。
2. 預(yù)應(yīng)力損失估計和減少預(yù)應(yīng)力損失的措施
預(yù)應(yīng)力損失是影響到預(yù)應(yīng)力加固的適用范圍和加固后工作狀態(tài)的重要問題。預(yù)應(yīng)力損失由加固件本身和承受加固件作用的結(jié)構(gòu)兩方面的變形而產(chǎn)生，主要的具體因素有：
(1)基礎(chǔ)徐變和地基沉降；
(2)被加固構(gòu)件收縮和其他變形；
(3)加固件本身徐變；
(4)加固件節(jié)點和傳力構(gòu)造變形；
(5)溫度應(yīng)變。
在預(yù)應(yīng)力加固件使用過程中，由于基礎(chǔ)沉降，溫度應(yīng)變，新澆混凝土徐變等具體原因?qū)a(chǎn)生較大預(yù)應(yīng)力損失，這時，為減少預(yù)應(yīng)力損失以保證加固效果，必須在加固過程中，預(yù)留構(gòu)造措施，以便在使用過程及時調(diào)整加固件的工作應(yīng)力數(shù)值。
3.預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計計算
預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計計算，應(yīng)首先繪制加固前后結(jié)構(gòu)受力圖形，分析內(nèi)力的變化。加固件中工作應(yīng)力數(shù)值應(yīng)滿足原有結(jié)構(gòu)加固的需要。加固件中施加的預(yù)應(yīng)力數(shù)值應(yīng)為工作應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失數(shù)值之和。預(yù)應(yīng)力損失值在具備一定經(jīng)驗和資料時可由計算確定，在經(jīng)驗和資料尚不充分時宜在加固前用實驗測定。
預(yù)應(yīng)力加固法具有許多優(yōu)點，如加固效果好工作可靠，可以減少或限制結(jié)構(gòu)的裂縫和其他變形；對橋梁營運使用的影響較小，可在不限制通行的條件下完成加固施工；在人力，物力和資金消耗方面也具有明顯的經(jīng)濟合理性。因此，預(yù)應(yīng)力加固法既可作為橋梁通過重車的臨時加固手段，又可作為永久性提高橋梁荷載等級的措施。
二、預(yù)應(yīng)力拉桿加固鋼筋混凝土梁板
鋼筋混凝土梁板是受彎或以受彎為主的橫向受力構(gòu)件。其預(yù)應(yīng)力補強加固一般采用預(yù)應(yīng)力拉桿，常用的拉桿體系有三種：水平預(yù)應(yīng)力補強拉桿、下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補強拉桿以及組合式預(yù)應(yīng)力補強拉桿。各種拉桿體系的結(jié)構(gòu)和加固原理分述如下：
1. 水平預(yù)應(yīng)力補強拉桿加固法
對于鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土的T梁或工字梁橋，可采用在梁斷面的受拉力，即在梁底下加設(shè)預(yù)應(yīng)力水平拉桿的簡易補強方法進行加固，加固結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。
從圖2-7中可以看到，當(dāng)拉桿安裝并通過緊銷鋼栓實施橫向拉力后，鋼拉桿內(nèi)將產(chǎn)生較大縱向拉力，于是，梁受拉區(qū)就受到拉桿頂壓應(yīng)力的作用，梁中受拉應(yīng)力也就相應(yīng)減少。
從加固原理上看，這種補強加固法可提高梁構(gòu)件正截面抗彎承載能力，但不能提高支座附近斜截面抗剪承載能力。
圖2-7 水平預(yù)應(yīng)力補強加固法
2. 下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補強拉桿加固法
將水平補強拉桿在接近支座處向上彎起，錨固于梁板支座的上部，彎起點處增設(shè)傳力構(gòu)造，再施加預(yù)拉應(yīng)力。這種加固裝置即為下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補強拉桿的加固方法。
在橋下凈空許可的條件下，可采用如圖2-8所示的下?lián)问窖a強拉桿加固梁式鋼筋混凝土梁的方法。
圖2-8 下?lián)问降念A(yù)應(yīng)力補強加固法
這種加固法的預(yù)應(yīng)力補強拉桿用鋼材做成，拉桿彎起點設(shè)立柱，立柱用鋼筋混凝土或混凝土做成。立柱一般設(shè)在l／4跨徑的地方，以使預(yù)應(yīng)力加固的斜拉桿與水平線的角度為30o-50o 。
預(yù)應(yīng)力加固件的斜拉桿，裝在被加固的梁腹板左右兩側(cè)支座上方的兩端。在鋼筋混凝土梁上鑿開一個安裝墊座的位置，割去一部分梁的鋼筋箍和豎鋼箍，將用角鋼或槽鋼做成的支承墊座安放在鑿好的洞內(nèi)，并與斜拉桿成垂直角。斜拉桿的一端插入支承墊座內(nèi)用螺帽扣緊，另一端在立柱下面用一對節(jié)點板和水平拉桿結(jié)合。裝好之后，用花籃螺絲把加勁的水平拉桿擰緊。為減少對橋下凈空的影響，預(yù)應(yīng)力補強拉桿也可布置在主梁腹部的兩側(cè)(中性軸以下)，如圖2-9所示，a)、b)為兩種不同的布置形式。
圖2-9預(yù)應(yīng)力補強拉桿
為使補強拉桿錨固于梁腹板，形成整體，錨固的方法有很多種，如圖2-10所示，a)為夾具錨固的情況；b)為用鋼板套箍錨固的情況。
圖2-10補強拉桿錨固于梁腹板
由于下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補強拉桿布置較為合理，拉桿中施加預(yù)應(yīng)力后，通過拉桿彎起點的支托構(gòu)件傳力，與梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力，起到卸載的作用。這種加固方法的優(yōu)點是可對受彎構(gòu)件垂直截面上的抗彎強度和斜截面上的抗剪強度同時起到補強作用。此法加固效果顯著，可將原結(jié)構(gòu)的承載能力增大一倍。
3.組合式預(yù)應(yīng)力補強拉桿加固法
既布置水平補強拉桿，又布置有下?lián)问窖a強拉桿，這種加固方式稱為組合式預(yù)應(yīng)力加固方法，如圖2-11所示。
圖2-11 組合式預(yù)應(yīng)力加固方法
組合式預(yù)應(yīng)力補強拉桿的加固方法，既具有下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力補強拉桿，同時提高抗彎、抗剪強度的優(yōu)點，又可在必要時將通常安設(shè)的兩根拉桿增加到四根(兩根水平拉桿)，從而可更大幅度地提高承載能力。
上述三種預(yù)應(yīng)力補強拉桿加固法的采用，可根據(jù)具體情況進行選擇。從補強的內(nèi)力種類來看，當(dāng)梁板跨中受彎強度不足，而斜截面上抗剪強度足夠時，可采用水平預(yù)應(yīng)力拉桿及其他兩種拉桿。當(dāng)梁板支座附近斜截面抗剪強度不足時，則采用下?lián)问胶徒M合式預(yù)應(yīng)力拉桿。從要求補強加固后承載力能提高較大時，宜采用組合式補強拉桿。此外，三種拉桿的選擇均須考慮施工的方便與可能。
三、預(yù)應(yīng)力補強加固設(shè)計與應(yīng)用實列
1．預(yù)應(yīng)力補強加固的設(shè)計步驟
采用預(yù)應(yīng)力補強拉桿加固橋梁構(gòu)件，應(yīng)事先進行必要的設(shè)計計算。由于加固后預(yù)應(yīng)力拉桿與鋼筋混泥土梁板構(gòu)件將組成一個整體并共同工作，因此，補強拉桿與被補強梁板組成一個新的復(fù)合體系，這樣就改變了結(jié)構(gòu)原來的靜力圖形，并且提高了承載能力。
預(yù)應(yīng)力補強加固設(shè)計計算步驟和方法如下：
(1)通過計算，求出被補強構(gòu)件提高荷載等級前所受荷載及其引起的內(nèi)力，其中，包括恒載內(nèi)力和活載內(nèi)力計算兩項內(nèi)容。方法與通常橋梁設(shè)計時的內(nèi)力計算相同，不再贅述。
(2)通過計算，求出擬提高荷載標(biāo)準(zhǔn)后的活載內(nèi)力，并由恒載與活載的組合驗算加固的必要性。
(3)由于上面二項之差，求出內(nèi)力的提高值，即需補強加固的抵抗力矩及剪力等，估算出補強拉桿應(yīng)有的橫截面面積，如圖2-12所示，由ΣM′=0，得M′=Aγ．Rγ(hγ—x′)，即Aγ=M′／Rγ(hγ—x′)
式中：M’為需補強加固的抵抗力矩； Ry對于軟鋼，估算時可采用容許應(yīng)力值；(hγ—x′)為補強鋼筋重心到構(gòu)件中和軸的高度。
用此法估算求得的補強拉桿橫截面面積，通常是很充裕的，因為構(gòu)件受拉桿的作用后已成為偏心受壓構(gòu)件。因此，在大多數(shù)情況下所求出的Aγ值，在最終計算之后，甚至可以減少一些。
(4)估算求出提高拉桿效率所必需的預(yù)施拉力值梁橋上部結(jié)構(gòu)加固與改造N預(yù)。圖2-12T型梁補強拉桿截面計算圖式。
圖2-12 T型梁補強拉桿截面計算圖示
(5)用補強后增大的荷載及內(nèi)力復(fù)核已加強的構(gòu)件。
2．加固實列
某橋為裝配式鋼筋混凝土T型梁橋，梁長14.06m，橋面寬9m，原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為汽一18、拖一80。現(xiàn)因通過重車，需要提高至掛一300平板車載重150t級重物的荷載等級。
根據(jù)驗算，確定提高荷載等級后承載不足，必須予以加固，加固時采用了下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力拉桿的加固方法，拉桿用螺栓端桿縱向電熱張拉。在梁的兩側(cè)安設(shè)￠25m冷拉Ⅳ級水平鋼筋，斜筋部分采用14號槽鋼。斜筋和水平筋的連接部位則焊接一個鋼箱進行轉(zhuǎn)折過渡，并在第一內(nèi)橫梁上設(shè)置鋼承托，如圖2-13所示。該橋加固后進行的荷載試驗表明情況正常。通過150t級載重貨車后結(jié)構(gòu)并無異常現(xiàn)象。
圖2-13 橫梁上設(shè)置鋼承托
第五節(jié) 增加輔助構(gòu)件加固方法與技術(shù)
一、增設(shè)縱梁加固法
在墩臺地基安全性能好，并具有足夠承載能力的情況下，可采用增設(shè)承載能力高和剛度大的新縱梁，這些新梁與舊梁相連接，共同受力。由于荷載在新增主梁后的橋梁結(jié)構(gòu)中重新分布，使原有梁中所受荷載得以減少，由此使加固后的橋梁承載能力和剛度得到提高。當(dāng)增設(shè)的縱梁位于主梁的一側(cè)或兩側(cè)時，則兼有加寬的作用。
舊橋主梁中間增設(shè)縱梁時，可拆除個別主梁或兩相鄰主梁之間的翼板，從而形成空位，然后再在空位上安裝承載能力和剛度都比原有主梁大的新縱梁，如圖2-14所示。
圖2-14 鋼筋混凝土T梁橋增設(shè)縱梁的加固形式
a)原橋上部構(gòu)造； b)拆除個別主梁安裝新縱梁后的構(gòu)造； c)拆除相鄰主梁翼板安裝新縱梁后的構(gòu)造
為保證新舊主梁能夠共同工作，普遍感到困難的是使新舊混凝土得以連接。因此，必須注意做好新舊梁之間的橫向聯(lián)結(jié)。橫向聯(lián)結(jié)的做法很多，有企口鉸接、鍵槽聯(lián)結(jié)、焊接和鋼板鉸接等。
對裝配式板梁，可采用企口鉸接、鍵槽聯(lián)結(jié)的形式，而常用的是梁跨中部分采用企口鉸接，而在較薄弱的梁端需采用數(shù)道鍵槽聯(lián)結(jié)，如圖2-15所示。
圖6-15新舊裝配式鋼筋混凝土板梁的聯(lián)結(jié)形式
a)企口連接；b)槽口連接
原橋為裝配式T梁時，可采用沿梁跨設(shè)置數(shù)道鍵槽的方法，使新縱梁與原有主梁的翼板聯(lián)結(jié)成一體。這種鍵槽聯(lián)結(jié)能承受接頭處的剪切應(yīng)力和局部承壓力。為實現(xiàn)這種鍵槽聯(lián)結(jié)，施工時必須在原梁翼板上每隔一小段距離鑿一個正方形或圓形孔洞，安裝后正好互相吻合對齊。鍵槽的構(gòu)造如圖2-15a)所示，或剛性型鋼筋如圖2—15b)所示。在設(shè)置好錨固鋼筋和防收縮鋼筋網(wǎng)之后，在對齊的孔洞中和裝配式鋼筋混凝土梁的接縫中澆筑細石水泥混凝土使之成為整體。
二、梁式橋上部結(jié)構(gòu)拓寬改建
為了提高橋梁的通航能力，適應(yīng)路線拓寬改建的要求，必須把寬度較窄的橋梁加以拓寬改建，梁式橋上部結(jié)構(gòu)拓寬改建，有單邊拓寬和兩邊對稱拓寬兩種形式。
1. 單邊拓寬改建法
當(dāng)原有公路路線是以單邊拓寬進行改建時，相應(yīng)地對舊橋也可采用單邊拓寬的形式予以改建。單邊拓寬的做法是，平行于原橋另建一座新的橋跨結(jié)構(gòu)，如圖2-16所示。
圖2-16 單邊拓寬鋼筋混凝土梁式橋的實例
2．雙邊對稱拓寬改建法
為了與舊有路線雙邊對稱拓寬的方案相適應(yīng)，許多舊橋也應(yīng)采用雙邊對稱拓寬的改建方案。雙邊拓寬的形式，主要有增設(shè)獨立邊梁作為人行道，以及增設(shè)大邊梁來拓寬舊橋橋面和提高舊橋承載能力等。
3．拓寬實例
廣西武鳴縣寧武橋：為4孔一22m預(yù)制裝配式T型梁橋，原設(shè)計荷載為汽一13、拖一60，1966年建成。為了滿足大化電站建設(shè)需要，能夠通行201t大型拖車，1981年采用增加縱梁的方法對該橋進行了加固補強。鑒于大型拖車靠中間行駛，只在橋中線兩側(cè)各現(xiàn)澆一片新梁，把原橋的縱梁由7梁式變?yōu)?梁式。施工步驟如下：
?。?）首先掀開橋面鋪裝，將設(shè)計需要增建的新主梁處的舊梁的翼板鑿除，切斷橫隔梁；
(2)利用原橋懸掛腳手架，支立模型板；
(3)安裝鋼筋骨架，安好支座；
(4)澆筑混凝土，待混凝土強度達到75％時，再卸架拆除模板；
(5)焊接新舊混凝土橫隔梁連接部位的鋼板，并澆筑橫隔梁底部的擴大截面和接縫處的混凝土；
(6)焊接上翼板處的鋼筋和綁扎好橋面的鋼筋，并及時澆筑上翼板和橋面的混凝土。
同時，為了加強全橋的橫向剛度，還應(yīng)該在橫隔梁的兩側(cè)各增設(shè)一根￠32mm的鋼筋，讓其橫穿全橋。并且在橫隔梁部位也應(yīng)增加2根￠25mm的鋼筋，以加強橫隔梁部位剛度。
加固后的試驗證明：橋梁由于增設(shè)了縱梁，性能和承載能力均得到了較大的改善，與原橋比較整體剛度較大，橫向分布性能好，達到了通行201t大型拖車設(shè)計荷載的要求，取得了較好的經(jīng)濟效益。
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