預應力箱型梁局部截面拉應力超限的新型加固技術

   日期:2023-10-31     來源:水清木華結構    瀏覽:9    

       隨著國家經濟的快速增長,基礎設施建設也得到進一步發展,橋梁作為交通工程中的重要樞紐,是基礎建設的重要組成部分,比如城市中的高架橋、高速公路的匝道橋。


       預應力技術能有效提高了混凝土構件的抗裂能力、抗滲性能,且具有剛度大、強度高、抗剪能力和抗疲勞能力好的特點,但是預應力施加不當,也會引起拉應力超限的問題,下面為大家分享某橋梁局部箱型截面拉應力超限的加固方案。



       二、工程概況


       某高速公路匝道橋全長約300米,上部結構采用現澆預應力混凝土箱梁,下部結構采用板式花瓶柱墩,肋板式橋臺,墩臺采用鉆孔樁基礎。該橋設計文件中,腹板預應力由F1、F2、F3三組預應力束組成,分布在箱梁的三個腹板中兩端張拉;底板放置一組鋼束B1,一端張拉。



       原設計文件中,腹板預應力束F1、F2、F3一側在箱梁左側#墩頂板張拉,另一側在箱梁右側#墩端部腹板張拉。由于左側#墩梁端預應力束合力中心偏上,所以在該側底板設置了預應力束B1,以降低這段預應力束的合力中心位置,底板預應力束在左側#墩處設置固定端,在箱梁內側張拉。


       由于施工條件限制,擬將“鋼束梁端倒置”,但是由于工人理解錯誤,施工時僅將F1、F2、F3腹板預應力束左右做了鏡像布置,B1底板預應力束未隨之鏡像至右側#墩,導致右側#墩僅有在頂板張拉的預應力束,板底的4 束預應力筋被設置在左側#墩一側,因而右側#墩附近預應力束的合力中心偏高,梁端受力與設計要求產生差異。由于張拉端短束張拉錯誤,導致頂板張拉端截面底部出現拉應力。



       三、梁底應力計算復核


       為對比分析梁端應力情況,查找原因,尋找合理有效的解決方案,采用有限元軟件對該箱梁建模計算,進行復核和分析。


       模型中建立了3個施工階段,考慮了不均勻沉降、二次收縮、車輛荷載等總共11種荷載工況,并以《《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG3362-2018)為標準,按部分預應力(A 類)混凝土結構進行驗算。


       根據規范要求,A 類預應力混凝土構件,在作用(荷載)頻遇效應組合下,應符合下列條件:σst-σpc≤0.7ftk;在作用(荷載)準永久效應組合下,應符合下列條件:σlt-σpc≤0。




       計算結果表明:在橋梁頂板張拉一側端部截面,使用階段正截面抗裂在準永久效應組合下,底緣:σlt-σpc =0.525 MPa(拉應力)>0 MPa(拉應力),不滿足《公路構件混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)第6.3.1-4條公式σlt-σpc≤0的要求。


       四、處理方案


       01


       準永久組合拉應力偏大原因


       根據《混凝土結構設計規范》 GB50010-2010(2015 版)按照第10.1.6 條,由預應力產生的混凝土法向應力及相應階段應力筋的應力,對于本工程中后張法構件,可按10.1.6-4 公式計算:


       從上述公式看出,在本工程中,由于底板布置的一組預應力筋B1 布置位置錯誤,導致在梁頂面張拉的一側,預應力束的合力中心位置偏上,預應力作用下梁底的預壓應力σpc減小,在荷載準永久組合下,該側靠近支座部位在正常使用極限狀態的準永久組合下σpc與σlt組合后梁底緣出現拉應力。

02


       降低端部梁底應力設計


       因為項目已施工完成,σpc已經作用在實際結構上,即σpc在后續處理中不會發生改變。在σpc不改變的條件下,減小σlt的值使其滿足《橋規》第6.3.1-4 條公式,即在作用準永久組合下構件抗裂驗算截面底緣混凝土不出現拉應力。為了能夠減小σlt的值,可以通過采取改變截面的形式,改變截面形狀,以達到提高凈截面慣性矩I,同時減小抗裂驗算邊緣至凈截面重心的距離。


       對于本工程中,根據《橋規》第6.3.1-4 條公式σlt-σpc≤0 驗算,其中σlt 為作用準永久組合下構件抗裂驗算截面邊緣混凝土的法向拉應力,可按《橋規》中公式第6.3.2-2 條計算:



       為了能夠減小σlt的值,可以通過在箱梁底部空腔區域填充混凝土的形式,增加凈截面面積,增大截面慣性矩I,同時使截面的形心下移,減小底緣至凈截面重心的距離。在本工程中,系混凝土連續箱梁,采用單箱雙室,可采用填充雙室空心截面下半部分,從而達到增加凈截面慣性矩I,又使截面形心向下偏移,減小了底緣至凈截面形心距離,最終實現增大Wn的效果。

03


       提高構件薄弱區域的防護,提高耐久性


       規范控制準永久組合下受拉區域的正應力小于0,主要是保證混凝土箱梁耐久性的要求。為確保受影響區域內結構的耐久性,選擇防護性能優良且不改變構件外觀的防腐涂裝層,進一步提高混凝土結構在目前受力狀況下的表面防護等級,提高表面密實度,阻斷混凝土材料在大氣環境下的碳化等性能退化。即使構件在不利的荷載組合下產生拉應力,也不會對內部的預應力筋、普通鋼筋造成不利影響。


       采用中國建筑科學研究院建材所開發的“固砼混凝土抗滲劑”改善表面防護,通過活性納米滲透材料,達到混凝土表面分子級的防護效果。




       五、小結


       上述設計方案經計算,在不改變箱梁外觀且技術上具有可操作性的前提下,減小了外荷載作用下梁端區域底部的正拉應力,滿足了規范的要求,經過專家研討后得到了贊同意見,委托方也對本方案非常認可。


 
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