预应力箱型梁局部截面拉应力超限的新型加固技术

   日期:2023-10-31     来源:水清木华结构    

       随着国家经济的快速增长,基础设施建设也得到进一步发展,桥梁作为交通工程中的重要枢纽,是基础建设的重要组成部分,比如城市中的高架桥、高速公路的匝道桥。


       预应力技术能有效提高了混凝土构件的抗裂能力、抗渗性能,且具有刚度大、强度高、抗剪能力和抗疲劳能力好的特点,但是预应力施加不当,也会引起拉应力超限的问题,下面为大家分享某桥梁局部箱型截面拉应力超限的加固方案。



       二、工程概况


       某高速公路匝道桥全长约300米,上部结构采用现浇预应力混凝土箱梁,下部结构采用板式花瓶柱墩,肋板式桥台,墩台采用钻孔桩基础。该桥设计文件中,腹板预应力由F1、F2、F3三组预应力束组成,分布在箱梁的三个腹板中两端张拉;底板放置一组钢束B1,一端张拉。



       原设计文件中,腹板预应力束F1、F2、F3一侧在箱梁左侧#墩顶板张拉,另一侧在箱梁右侧#墩端部腹板张拉。由于左侧#墩梁端预应力束合力中心偏上,所以在该侧底板设置了预应力束B1,以降低这段预应力束的合力中心位置,底板预应力束在左侧#墩处设置固定端,在箱梁内侧张拉。


       由于施工条件限制,拟将“钢束梁端倒置”,但是由于工人理解错误,施工时仅将F1、F2、F3腹板预应力束左右做了镜像布置,B1底板预应力束未随之镜像至右侧#墩,导致右侧#墩仅有在顶板张拉的预应力束,板底的4 束预应力筋被设置在左侧#墩一侧,因而右侧#墩附近预应力束的合力中心偏高,梁端受力与设计要求产生差异。由于张拉端短束张拉错误,导致顶板张拉端截面底部出现拉应力。



       三、梁底应力计算复核


       为对比分析梁端应力情况,查找原因,寻找合理有效的解决方案,采用有限元软件对该箱梁建模计算,进行复核和分析。


       模型中建立了3个施工阶段,考虑了不均匀沉降、二次收缩、车辆荷载等总共11种荷载工况,并以《《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)为标准,按部分预应力(A 类)混凝土结构进行验算。


       根据规范要求,A 类预应力混凝土构件,在作用(荷载)频遇效应组合下,应符合下列条件:σst-σpc≤0.7ftk;在作用(荷载)准永久效应组合下,应符合下列条件:σlt-σpc≤0。




       计算结果表明:在桥梁顶板张拉一侧端部截面,使用阶段正截面抗裂在准永久效应组合下,底缘:σlt-σpc =0.525 MPa(拉应力)>0 MPa(拉应力),不满足《公路构件混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)第6.3.1-4条公式σlt-σpc≤0的要求。


       四、处理方案


       01


       准永久组合拉应力偏大原因


       根据《混凝土结构设计规范》 GB50010-2010(2015 版)按照第10.1.6 条,由预应力产生的混凝土法向应力及相应阶段应力筋的应力,对于本工程中后张法构件,可按10.1.6-4 公式计算:


       从上述公式看出,在本工程中,由于底板布置的一组预应力筋B1 布置位置错误,导致在梁顶面张拉的一侧,预应力束的合力中心位置偏上,预应力作用下梁底的预压应力σpc减小,在荷载准永久组合下,该侧靠近支座部位在正常使用极限状态的准永久组合下σpc与σlt组合后梁底缘出现拉应力。

02


       降低端部梁底应力设计


       因为项目已施工完成,σpc已经作用在实际结构上,即σpc在后续处理中不会发生改变。在σpc不改变的条件下,减小σlt的值使其满足《桥规》第6.3.1-4 条公式,即在作用准永久组合下构件抗裂验算截面底缘混凝土不出现拉应力。为了能够减小σlt的值,可以通过采取改变截面的形式,改变截面形状,以达到提高净截面惯性矩I,同时减小抗裂验算边缘至净截面重心的距离。


       对于本工程中,根据《桥规》第6.3.1-4 条公式σlt-σpc≤0 验算,其中σlt 为作用准永久组合下构件抗裂验算截面边缘混凝土的法向拉应力,可按《桥规》中公式第6.3.2-2 条计算:



       为了能够减小σlt的值,可以通过在箱梁底部空腔区域填充混凝土的形式,增加净截面面积,增大截面惯性矩I,同时使截面的形心下移,减小底缘至净截面重心的距离。在本工程中,系混凝土连续箱梁,采用单箱双室,可采用填充双室空心截面下半部分,从而达到增加净截面惯性矩I,又使截面形心向下偏移,减小了底缘至净截面形心距离,最终实现增大Wn的效果。

03


       提高构件薄弱区域的防护,提高耐久性


       规范控制准永久组合下受拉区域的正应力小于0,主要是保证混凝土箱梁耐久性的要求。为确保受影响区域内结构的耐久性,选择防护性能优良且不改变构件外观的防腐涂装层,进一步提高混凝土结构在目前受力状况下的表面防护等级,提高表面密实度,阻断混凝土材料在大气环境下的碳化等性能退化。即使构件在不利的荷载组合下产生拉应力,也不会对内部的预应力筋、普通钢筋造成不利影响。


       采用中国建筑科学研究院建材所开发的“固砼混凝土抗渗剂”改善表面防护,通过活性纳米渗透材料,达到混凝土表面分子级的防护效果。




       五、小结


       上述设计方案经计算,在不改变箱梁外观且技术上具有可操作性的前提下,减小了外荷载作用下梁端区域底部的正拉应力,满足了规范的要求,经过专家研讨后得到了赞同意见,委托方也对本方案非常认可。


 
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