关梦林

(天津港务局,天津300456)

摘要:通过对箱型连续梁桥加固修复方案的探讨,指出目前采用钢板、碳纤维材料粘贴法及预应力法对破损桥

梁进行加固的适用范围。通过对箱型连续梁桥预应力加固法的钢绞线索受力状态的分析,提出了用滑动固定

索夹对钢绞线索进行分段,不但可以改善钢绞线索的受力状态,而且能提高破损桥梁的加固修复效果。

关健词:体外预应力;加固;箱型梁;桥

中图分类号:V44517+2　　　文献标识码:A　　文章编号:1005-8443(2002)S0-0195-04

通过几十年的建设,天津港得到了迅速的发展,自然条件较优越的海域挖泥吹填成陆,陆续建成万吨级以上的泊位,为天津港跨入国际大港的行列奠定了基础。为适应国际海运船舶大型化的需要,有些码头要建在水较深的海域。因此,需要通过引桥将深水码头与岸线相连,这是一种较经济的方案。由于沿海桥梁大都建在软基上,基础的不均匀沉降会使桥梁产生过大的内力而开裂破损;另外,氯离子等海洋腐蚀性介质的入侵会使钢筋混凝土桥梁发生锈蚀破损;加之设计、施工、使用中存在的诸多因素也可能会使桥梁产生不同程度的破损。以天津港南疆公路大桥发生加固修复为例,对箱型桥梁加固修复方案的有关问题进行探讨。

1　南疆公路大桥概况〔2〕

南疆公路大桥总长1205.8m,主桥为五跨预应力混凝土箱型连续梁。跨度布置为:48m+3×m+48 m,引桥为32m简支T型梁,其结构形式如图1所示。

2　箱型桥梁破损的加固方法

2.1　钢板粘贴加固法〔2〕

(1)梁底粘贴纵向钢板进行加固

在梁底粘贴钢板加固可提高梁的抗弯能

力,此法施工简便、不减小桥下净空、且可以

在不影响或少影响正常交通的情况下进行,

因此,应用广泛。日本在1997年就用此法加

固了200多座强度不足的桥梁,中国上海地

区加固的桥梁不少也用此法。

(2)梁腹粘贴斜向钢板加固

在梁腹粘贴斜向钢板可使钢板与混凝土

整体受力,提高梁的整体刚度与抗剪强度。

(3)桥面板底部粘贴钢板加固

图1　南疆公路大桥结构示意图需要补强的桥面底部受拉部位用锚固螺

栓和环氧树脂粘贴剂将钢板粘贴固定,使其与原梁面形成整体,对桥面板起加强作用。

　　收稿日期:2002-03-15

作者简介:关梦林(1956-),男,天津市人,工程师,主要从事港口设施技术管理。

Journal of Waterway and Harbour

用钢板粘贴加固是局部加固方法,不改善桥梁上部结构的整体性能,该加固对混凝土不增加预应力,加固效果与钢板和混凝土之间粘结性能有关。对于开裂的裂缝宽度较大部位用粘贴钢板加固时,为了防止对于开裂的梁体内原有钢筋的锈蚀,钢板粘贴前应先在裂缝处灌注环氧树脂浆液,将裂缝封闭后再粘贴钢板。

2.2　体外预应力加固法〔3〕

用高强钢绞线索作为预应力索,用千斤顶进行张拉并将其锚固在箱梁的两端上,对箱梁的混凝土施加预应力,以提高箱梁的强度。预应力加固法的主要优点是见效快,随着预应力的施加,裂缝宽度变小,梁体发生反拱,原有预应力筋的应力随即变小,是一种主动的加固法。加固的材料采用高强钢绞线索,具有强度高、加固效果好的特点,是较理想的加固方法。体外预应力加固能提高破损梁的整体刚度,且在钢绞线索张拉过程中提高了混凝土的预应力,提高了桥梁的抗弯能力。

2.3　碳纤维粘贴加固法〔4〕

由于纤维材料具有优异的物理力学性能,其抗拉强度高于普通钢材的十倍以上,弹性模量与钢较为接近。极适合与钢筋混凝土结构的加固修复。

碳纤维材料的重量仅为钢的四分之一,每层厚度小于1mm,被加固的钢筋混凝土构件基本上不增加其自重及截面尺寸,且能耐酸、碱、盐及大气环境的腐蚀,不需要定期维护,是较为理想的钢筋混凝土结构加固材料。

在以上三种加固方法中,体外预应力加固法适合整体破损较为严重的桥梁,此法在加固过程中对混凝土施加预应力,能提高桥梁的强度,另外在对钢绞线索张拉过程中,能使裂缝的宽度变小,从而提高局部破损桥梁的整体刚度,具有较好的加固效果。碳纤维及钢板粘贴加固法适合局部破损且破损程度较轻的桥梁,用此法加固后,只能提高加固部位的局部强度,一般对破损桥梁的整体刚度提高不大。对破损桥梁进行加固要根据其破损程度选用适合的加固方法,这样才能取得较好的加固效果。

3　南疆公路大桥体外预应力加固方案的探讨

2000年8月对桥的工作状态进行全面检查时,发现箱型梁的腹板及底板的混凝土出现不少裂缝,主桥中间三跨的跨中有不同程度下挠〔2〕。为了大桥的安全,决定对大桥进行加固维修。由于桥主梁的开裂破损较为严重,抗弯刚度明显减小,所以采用体外预应力法进行加固。

加固修复的主要措施为:大桥主梁的箱梁纵向采用9-7Φ5带黑色PE护套的无粘结钢绞线索施行体外预应力加固,钢绞线索的标准强度R b y=1860MPa,张拉控制力为1757kN。沿桥宽方向布置10束体外预应力索,其中4束为微斜通长索,桥墩截面处布置在距离箱梁顶板底1.4m位置,在箱梁每跨桥跨中的横隔板处弯起,该处距离箱梁顶板底0.5m,锚固于主桥两端的横隔板上,锚固点距离箱梁顶板底1.1m的位置。加外6束为水平直线索,桥墩截面处布置于箱梁顶板底1.4m的位置。水平直线索锚固于桥3×m的两端横隔板上,钢绞线索布置方式见图1,每隔8～10m设置索夹,以防止车辆通过桥梁时产生过大的应力。

3.1　钢绞线索张力沿桥跨的分布规律

由于箱型梁的抗扭刚度较小,所以桥墩顶及桥每跨跨中位置的箱梁内设置了横隔板,因此在进行预应力加固时钢绞线索无法在箱梁内贯穿全桥,需在横隔板上打孔。在对箱梁内横隔板上打孔时,由于无法用测量仪器统一定位,一般选箱梁顶板底为参照点,但每一横隔板处的箱梁顶板底标高都有较大偏差,造成横隔板间孔位有一定偏差,从而难以保证箱内各横隔板上穿钢绞线孔的同心度,造成张拉时钢绞线索与横隔板的孔壁相碰而产生摩擦力,使其沿长度方向的张力分布不均匀。

南疆公路桥对钢绞线索施加1750kN的张拉力,在桥梁进行预应力加固后钢绞线索沿长度方向张力分布的测量结果如表1所示〔6〕

。

由表1可知,钢绞线索的张力分段分布,距钢绞线索锚固点越远的张力越小,这是因为钢绞线索穿过箱梁的横隔板时,钢绞线索与横隔板孔产生较大的摩擦力所致。

在桥修复通车后,为了减小车辆从桥上通过时钢绞线索发生振动而产生过大的动应力,所以每隔8～10 m设置了索夹,对大桥箱梁内的钢绞线索又采取分段固定。根据表1推知,在桥面上车辆行驶时,同样会产

生车辆荷载引起各段钢绞线索的张力增量分布不均匀的问题。

表1　钢绞线索张力沿长度方向分布

位置钢铰线索的张拉力(kN )

N 1N 2N 3

N 4

N 5

N 6

N 7

N 8N 9第1跨16691630163016第2跨116251633131656165616661015331508第2跨215601535第3跨115101635第3跨215231523第4跨115861686第4跨216331633第5跨

16

1669

1316521615161113131638161616161913

1656

1603

1629

1616

16351586146115601485157315861586165916331650

1669

　说明:(1)大桥跨度由东沽方向向南疆方向编号,第2、3、4跨的跨中设置了横隔板,将

跨度分为2段,段号也从东沽方向向南疆方向编号。

(2)本表只列出9根钢绞线索的张力分布情况

3.2　钢绞线索与索夹的固定方

式对桥梁加固效果的影响(1)钢绞线索与索夹采用死固定方式分段对桥梁加固效果的影响

(a )减小钢绞线索的动应力

对钢绞线索用索夹进行分段固定,由于缩短了每段钢绞线索的自由长度而提高其自振频率,减少钢绞线索的振动幅度,以减小钢绞线索的动应力。

(b )加强钢绞线索对箱梁的加固作用

钢绞线索用索夹进行分段固定,可以使钢绞线索与箱梁共同变形,加强钢绞线索对箱梁的加固作用,特别是第一跨及第五跨,其变形的示意图如图2

所示。

　　由图2(a )知,当钢绞线索未分段固定时,箱梁在车辆荷载作用下产生挠度而变形,使箱梁底混凝土受拉,桥面混凝土受压。由于钢绞线索两端固定在桥墩上,一般认为在车辆荷载作用下桥墩的垂直变位可以忽略不计,所以桥墩上的横隔板不产生垂直位移,从而可知箱梁在车辆荷载作用下产生挠度而变形时,由于钢绞线索两端不发生变位而使钢

图2　桥梁在车辆荷载作用下的钢绞线索与处梁的变形示意图

绞线索长度保持不变,即车辆荷载全部由箱梁来承担,钢绞线索不承受车辆荷载。对于图2(b ),由于钢绞线索用索夹进行分段固定,索夹一端与箱梁底板相连,另一端夹住钢绞线索,箱梁在车辆荷载作用下产生挠度,钢绞线索通过索夹与箱梁产生同一挠度,使钢绞线索拉伸而承担部分桥上作用的车辆荷载,因此箱梁的应力及挠度要比钢绞线索未分段固定的小,从而可知,对箱梁内的钢绞线索用索夹进行分段固定的办法可以减小箱梁的挠度及箱底砼的拉应力,由箱梁和钢绞线索共同承担桥上作用的车辆荷载,使大桥的加固效果更加明显。

根据以上分析,要求钢绞线索进行分段固定的索夹必须满足如下条件:

索夹要有足够的强度和刚度,索夹与箱梁底板连接牢固,使钢绞线索与箱梁共同变形。(c )钢绞线索分段死固定缺点

由表1知,因钢绞线索外壁与箱梁横隔板孔的摩擦力,使钢绞线索在各跨的张力分布不均匀,由于钢绞线索分段死固定,同理可得索夹与钢绞线索外壁间的摩擦力也会使各段钢绞线索的张力分布不均匀。为了说明问题,以简支梁为例,在外荷载作用下梁发生挠度,使梁在不同位置产生不同弯距,从而可知,梁底的拉应变沿梁轴方向不是均匀分布,跨中拉应变最大,沿跨中距离越远梁底混凝土的拉应变越小。

箱梁内的钢绞线索采用分段死固定的方式,使钢绞线索在车辆荷载作用下的应力增量分布不均匀,处于跨中的钢绞线索会产生较大的拉应力增量。因此从受力状态分析知,对钢绞线索进行分段固定时,应尽可能使各段钢绞线索之间的张力相等,但钢绞线索的分段死固定使索夹与钢绞线索外壁间产生摩擦力,这种分段固定方式使钢线索各段间的张力相差很大,张力最大段的钢绞线索受力条件最差,因此不宜采用死固定方式。

为改善分段固定钢绞线索的受力状态,在满足对钢绞线索其过大的振动振幅,且保证桥在车辆荷载作用下能使钢绞线索与箱梁产生共同变形的前提下,建议将钢绞线索分段的死固定索夹改成分段滑动固定索夹,使钢绞线索轴向可以自由滑动,在垂直方向能其振动振幅,且保持能与箱梁产生共同挠度,其示意图如图3所示。

　　钢绞线索滑动固定分段索夹由固定架、固定架底脚螺栓、挡板、滚轴组成。其中固定架底脚螺栓将索夹与箱梁底板牢固相连,使钢绞线索通过固定架及滚动轴与箱梁产生共同挠度。

在钢绞线索产生与箱梁相同挠度时,由于钢绞线索各段的应力不同,此时通过滚轴将钢绞线索与索夹间的滑动摩擦变为滚动摩擦,从而减小钢绞线索外壁与索夹的摩擦力,滚轴使钢绞线索可以在其轴向自由移动,相邻段之间钢绞线索的应力可以传递,

从而使各段间钢绞

图3　钢绞线索分段滑动固定方式索夹示意图

线索应力处于均匀,以减小跨中钢绞线索的应力增量。另外,索夹上的挡板及滚轴钢绞线索振动的振幅,以减小钢绞线索在车辆荷载作用下的动应力。钢绞线索与滚轴间垂直间距可以在2mm左右,与挡板间距离可在5mm-10mm之间,钢绞线索与滚轴及挡板间距离可根据动应力的值计算确定。

为了提高南疆公路大桥的安全性,必须改善钢绞线索的受力状态,所以建议以后采用预应力加固大桥,钢绞线索宜采用滑动固定方式分段的索夹,这样不但能减小钢绞线索的动应力,而且能改善钢绞线索的受力状态,确保桥梁的加固效果。

5　结语

本文通过对天津港南疆公路大桥加固修复方案的探讨,指出目前采用钢板、碳纤维材料粘贴及预应力补强加固法,对破损桥梁进行加固的适用范围,并对南疆公路大桥预应力加固法的钢绞线索受力状态进行分析,提出了用滑动固定方式索夹对钢绞线索进行分段,以减小钢绞线索的振动应力,使钢绞线索的张力沿长度方向尽可能均匀分布,改善钢绞线索的受力条件,使钢绞线索与加固修复后的桥梁共同起变形作用,以提高加固修复后桥梁的整体刚度,减小箱梁的跨中挠度,对破损桥梁能起到较好的加固修复效果。

参考文献

〔1〕中铁大桥勘测设计院1天津港南疆大桥公路桥加固工程48+3×+48主桥连续箱梁施工设计第三册[Z]1武汉:中铁大桥勘察设计院,20011

〔2〕扬文渊,许奔,编1桥梁施工工程师手册[M]1北京:人民交通出版社,19991

〔3〕李延和,陈贵,秦新刚,等1预应力加固法设计计算方法的研究[A]1建筑诊断、加固、改造与维修论文集[C]1南京:全国现代结构研究会,19941

〔4〕邬宁1碳纤维结构补强技术[J]1浙江交通科技,2002,(1):40～411

〔5〕天津港工程监理咨询公司,铁道部大桥局勘测设计院,铁路部大桥局第一工程处联合调查组1南疆公路大桥连续箱梁调查报告[R]1天津:天津港工程监理咨询公司,铁道部大桥局勘测设计院,铁道部大桥局第一工程处120001

〔6〕大桥工程局桥梁科学研究院1天津港南疆大桥加固工程施工测试初步结果[R]1武汉:铁道部大桥工程桥梁科学研究院, 20011

Journal of Waterway and Harbour下载本文