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体外预应力加固预应力增量的计算

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第40卷,第3期 2 0 1 5年6月 公 路 工 程 Highway Engineering Vo1.40,No.3 Jun.,2 0 1 5 体外预应力加固预应力增量的计算 李伟龙,王起才,李盛,李建新,崔建龙 (兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070) [摘要】体外预应力加固技术是现如今最有效的加固既有预应力混凝土桥梁的方法,可大幅提高原桥刚度 及承载能力并克服其他加固方法中难以克服的二次受力问题。利用结构变形前后的几何关系,提出了在车道荷载 作用下三折线布筋形式的体外预应力应力增量计算公式,计算公式的物理意义明确,并可分别计算不同荷载及不 同布筋形式下的体外预应力应力增量。通过~座预应力混凝土简支T梁的加固设计实例,计算了体外预应力在车 道荷载作用下的应力增量及施工阶段、使用阶段梁的上下缘混凝土应力,为简支梁的体外预应力加固工程提供了 理论技术支持。 【关键词]体外预应力;加固;挠度;简支梁;应力增量 [中图分类号]U 445.7 2 【文献标识码】A [文章编号]1674—0610(2015)03—0096—04 The Stress Incremental Computing on Externally Prestressed Reinforcement LI Weilong,WANG Qicai,LI Sheng,LI Jianxin,CUI Jianlong (College of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou,Gansu 730070,China) [Abstract]External prestressing reinforcement technology is nowadays the most effective method of strengthening existing prestressed concrete bridge,it can significantly improve the rigidity and load carry- ing capacity of the original bridge and overcome other strengthening methods are dificultf to overcome the force of the secondary issues.By using the geometric relationship of structure before and after deforma— tion,this paper puts forward the form of external prestressing stress increment calculation formula of three line under the lane load distributed,the physical meaning of calculation formula is clear,and can be cal- culated separately under different load and different distributed form of external prestressing stress incre— ment.In this paper,through the instance of reinforcement design on prestressed concrete simply suppor- ted T beam,and can calculates the stress increment of externally prestressed under lane load and the concrete stress of the edge of the beam on construction stage and using stage,providing a good technical support for externally prestressed reinforcement engineering of simply supported beam. [Key words]external prestressing;reinforcement;deflection;simply supported beam;stress in— r m nt 0 引言 随着我国交通量及汽车载重的增加,先前一些 设计标准较低的桥梁已不能满足使用要求,故需采 取加固措施以提高其承载能力,而且体外预应力加 固具有大幅度提高原桥承载能力;且施工工期短、力 筋布置灵活、可以不中断交通或短时交通及克 服了其他加固方法中难以克服二次受力问题等优 [收稿日期]2014—03—20 点…,体外预应力加固技术越来受到人们重视。国 内外学者进行了大量的试验及理论研究:Kiang— Hwee Tan 等通过6根体外预应力混凝土T形梁的 试验,分析了转向块和力筋线形对梁在荷载作用下 的影响;Muller等 通过有限元的方法编写了一个 分析体外预应力梁受力性能的计算程序;徐栋 等 通过试验分析了体外预应力梁在整个加载过程中的 反应,编写了有限元非线性分析程序;牛斌 等通 [基金项目】长江学者和创新团队发展计划资助(IRTI139);铁道部科技研究开发计划项目(2010G019一A) 【作者简介】李伟龙(1988一),男,陕西宝鸡人,硕士研究生,主要从事桥梁隧道研究。 第3期 李伟龙,等:体外预应力加固预应力增量的计算 97 过试验建立了体外预应力混凝土梁在受弯情况下全 过程非线性分析的计算方法和计算程序,提出了体 外预应力混凝土梁在极限状态下承载力的计算方 法;张耀庭 等通过理论和试验相结合,对体外预 应力混凝土梁的极限承载力和短期挠度进行了研究 与分析,并提出了一套相应的理论计算公式;Robe ̄. wollmann等 对体外力筋的预应力损失进行了研 究,提出了一种测量体外预应力钢绞线应变的方法; 张军 对一片20 m预应力空心板进行了静载试 验,并根据试验结果以及混凝土强度理论以确定理 论开裂荷载,在此基础上进行实际预应力推算和上 拱值计算,并按设计规范讨论了空心板正截面的抗 裂能力;曹伟 叫以某连续刚构桥加固工程为依托, 并进行体外预应力加固设计及加固效果评价,得出 了连续刚构桥采用体外预应力加固能显著增大压应 力储备,降低主拉应力,并适当恢复结构线形。以 上各位学者分别通过不同的角度探索了体外预应力 混凝土梁的计算与分析方法,为体外预应力的发展 提供了理论依据。但是,对正常使用状态下预应力 混凝土简支梁体外预应力加固后应力增量的计算鲜 有涉及;故本文以既有预应力简支T梁体外预应力 加固为研究对象,针对折线形布筋情况,推导了梁体 在弹性工作状态下三折线布筋形式的体外预应力的 应力增量计算公式,并通过一座简支预应力混凝土 T梁的加固设计实例,计算分析了体外预应力加固 后桥的承载力能力、体外预应力钢束在外荷载即活 载作用下的伸长量及加固后梁的上下缘混凝土应 力,为简支梁的体外预应力加固工程提供了理论技 术支持。 1 理论推导 根据研究对象的力学特点,在推导过程中做如 下基本假定: ①梁体受弯后,截面应变符合平截面假定,不 计受拉区混凝土的作用; ②在弹性工作状态下,体外预应力筋相对梁体 位置变化引起的二次效应忽略不计; ③忽略梁体剪切变形的影响。 1.1 原预应力损失量计算 由于体外预应力施加以后,原梁预应力的大小 有一定的影响,进而影响到梁体截面的实际应力分 布,为了精确计算结果,故需考虑原有预应力的损 失,根据截面受力特性建立计算模型,如图I所示。 图1 原预应力损失计算模型 Figure 1 The loss of the original prestress calculation model 对原梁进行体外预应力加固后,由于梁体被压 缩,原有预应力筋的应力会损失,对于在梁底折线布 筋设置中间转向块的体外预应力加固,梁底混凝土 应力增量为: Npe= +竿 (1) 式中:Ⅳ。 为体外预应力筋的拉力;A。为梁换算截面 面积;y。 为梁截面中性轴距梁底的高度;e体外预应 力筋距梁底的高度;,0梁截面的换算惯性矩。 梁底混凝土的应变变化量为: 。= (2) 式中:E 为混凝土的弹性模量。 原预应力与梁体符合平截面假定,原预应力的 应变为: 88s ̄-fL- ̄86c=f_.6E0" (3) y。 y。式中:f为原预应力筋距中性轴的距离。 所以原预应力的损失量为: =f Ec‘E (4) y式中:E。为原预应力筋的弹性模量。 故加固后原有预应力钢束的应力为: s : O'一. con 一fYox‘. 8o" Es (5) 1.2荷载作用下原预应力筋增量计算 在使用状态下,梁上的外荷载采用车道荷载,即 可简化为故在均布和集中荷载作用下,挠度的表达 试为: = 二 一)㈤ 在荷载作用下,梁段内的原预应力筋的伸长量 计算模型如图2所示。 a(aL) _e㈩ ”( ) (7) 式中:△£力筋伸长量;e( )为力筋偏心距;p( )为 梁体变形后的曲率半径。 98 公路工程 40卷 时梁体在荷载作用下,梁体下挠 偏心距为: )后体外力筋的 e+ 一h-f, b(h+ )一a(e-L) — 一 +——— ∈[a,b】 『_一一 (a)预应力梁 e( )= ) e+ 一 ) ∈【b,l/2】 (10) — —j4- 式中: 为锚固块A点处梁体的挠度 为转向块 点处梁体的挠度,e、h分别为力筋水平段和锚固点 (b)微段梁体变形 图2梁体变形示意图 Figure 2 Schematic deformat自 ion curve of beam deformation 故原预应力筋的总伸长量为: 一 AL=一fJu  e( )f( )dx (8) 原预应力筋应力增量计算方程为: △ :一孥 L Ju ”( ) (9) 式中: 为原预应力筋的长度,E为原预应力筋的弹 性模量。 1.3荷载作用下体外预应力筋增量计算 体外预应力筋应力增量不能由平截面假定来确 定,而与结构的变形有关。体外预应力筋只在转向 块和锚固块与梁体发生联结,在有荷载的情况下,体 外预应力钢筋就会和梁体之间产生变形的不一致, 继而使得体外预应力筋的偏心距随着梁体的变形而 不断产生变化,这就是所说的“二次效应”。另一方 面,考虑到张拉施工工作空间,不可能从梁端开始对 梁体进行体外预应力加固,需留出一定的工作空间, 加固及荷载作用下梁段内体外预应力筋的伸长量计 算模型如图3所示。 『J J : 三三 墨至至 [==二二 ..j 1J. =二二=j //1 0 —— f J为变形前力筋线;l2为变形后力筋线 如为力筋初始位置处梁体变形线 图3折线布筋体外预应力梁变形示意图 Figure 3 Schematic deformation eHrYe of prestressed beam with draped external tendons 梁体在均布力q和跨中集中力F的作用下距此 至截面形心的距离,。为锚固块距梁端的距离,b为 专线块距梁端的距离。 将式(10)代人式(9)可得三折线体外预应力筋 应力增量计算公式为: △ =一 × ( + 盟一,( )1, ( )d + D—a / r1/2 e+ 一 ))、 厂”” ( )出 (11) 式中:z。为体外预应力筋的总长;Ep 为体外预应力 筋的弹性模量。 代人挠度的计算公式,经简化计算后得: 15A p s x p =一 【号( 一口 )一( q_l+了F)× ( 13_a3))]+ 等 x 【- ̄(b3-a3)一( ql+ ̄)(b2 o2)1 )× [手( 13—6 )一(等+詈)( 12—6 )] (12) 令: =号(6 一。 )一(孚+ )(6 一。 ) 詈c 一。 一( + )c b2_a2 =了q I 13—6。)一( ql+ )(等一6 ) 则式(12)可简化为: Eps AO'ps=一 × 第3期 李伟龙,等:体外预应力加固预应力增量的计算 [L 7(e+ ) 邯 +]J 径25 m,设计荷载汽一20,挂一100,由于桥梁年久 失修,梁体下缘主筋保护层厚度不够,梁体排水设置 不当和损坏,并长期受到雨水侵蚀,不能满足桥梁的 当梁跨中只作用集中荷载,即q=0时,应力增 EpAWps=一 丽s x 三 b 一 【a【一 3 ( 6 一n一 J。 )]+  D— l I )J ]l (14) a 当梁上只作用均布荷载,即F=0时,应力增量 表达式为: Ep sAorps=一而× Iq( 。4)-等(I,3-d)]+ b a一  q 3)一生2 )]+J’  (e )[了q I 13—6 )一 ( /2—6 )] (15) 当o=b时,即梁中间不设转向块,为直线布筋, 应力增量表达式为: Lps=一 ・s(e+ )× (了q\L8—6 )一(等+ )(等一6 )) c・6 当b=1/2时,即梁中间设1个转向块,为双折线布 筋,应力增量表达式为: 一彘× {『 ( 一口 )】[号(主 一口 )一(号 +詈)×1 )+ 二】  ; ×J}  (17) 2 简支T梁加固设计 2.1 工程简介 付干白银市火车站西的某预府力简专T粱.瞎 使用要求,因此应对该桥进行全面的整治和加固。 2.2加固设计方案 原桥为25 m预应力混凝土T梁,高1.75 m,梁 体为C40混凝土,原预应力束为24根直径为5 mm 的钢丝组成,体外预应力钢筋拟采用(I)15.2 mlTl、 1 860级钢绞线,弹性模量1.95×10 MPa。 2.2.1体外预应力钢筋 据理论计算,每片梁设计弯矩为5 371.9 kN・ m(恒载2 875.3 kN・m、活载2 496.6 kN・m)。普 通钢筋距梁下缘4.5 cm,原预应力共6束,跨中距 梁底T1、 、T3处8 cm,T4、T5、T6处17 cm。体外 预应力锚固块距梁底90 cm、距梁端4.36 m,转向块 距梁底35 cm,距梁端9.86 m。实际选用4根 l5.2 mm钢绞线,其面积181 mm ,梁体加固见图4。 (日)立面图 (b)横断面图 图4体外预应力加固示意图 Figure 4 Schematic diagram of externally prestressed reinforcement 2.2.2体外预应力增量及梁体强度、挠度计算 预应力混凝土简支T梁为A类预应力混凝土 构件,不允许出现开裂,其刚度应按换算截面计算。 经计算,按公式l3可得到设计荷载作用下体外预应 力的增量为44.5 MPa,对梁上行车无影响;梁的设 计抵抗弯矩可达6 125.2 kN・m,比原设计抵抗弯 矩5 166.1 kN・m提高了l8.5%;加固施工过程 中,梁体主要承受恒载,施加体外预应力后,梁体混 凝土上缘压应力为2.5 MPa,下缘压应力为10.8 MPa,全截面受压,梁体上拱度约为4.4 mm,加固后 梁体在恒载和车道荷载作用下,梁体混凝土上缘压 应力为6.3 MPa,下缘压应力为3.0 MPa,因此,在 施工阶段及加固后正常使用过程中,梁的上、下缘压 应力均不会超过混凝土的允许抗压强度,可达到 (下转第198页) I98 公路工程 4O卷 ②基于支持向量机预测益常高速公路某段 2014年PCI、PQI及SR1分别为80.36、76.83与 81 54。 [7] 张涛.基于人工神经网络的路面使用性能预测【D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2009. 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