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    PS-ECC加固技術機理及施工工藝研究
    2023-01-11 來源:養護與管理 作者:張立 于利存

      我國公路網中存在大量的中小跨徑病橋、危橋需要通過加固來提高其承載力及耐久性,其中預應力加固技術的應用愈發廣泛。文章提出了一種復合預應力加固方法——高強預應力鋼絲-高性能水泥基纖維復合材料加固技術(簡稱PS-ECC加固技術)。介紹了該加固技術的基本特點,進行了其張拉、錨固等機理分析;并通過midas fea仿真分析,研究了PS-ECC技術加固前后模型梁的承載能力和延性變化;總結了該技術的施工工藝。研究表明:PS-ECC加固技術能夠提高梁體的屈服點、承載能力,延長彈性階段,有效改善梁體受力性能。并可實現小操作空間下張拉,施工簡便,適用性較強。

      目前,我國公路路網中約40%的橋梁運營超過20年,三、四類技術等級的中小跨徑橋梁占比25%以上,危橋的數量體量較大。采用合理的加固技術提高其承載力及耐久性,延長橋梁的使用壽命是切實可行的解決之道。而且既有橋梁采取加固改造的費用相比橋梁的拆除新建,僅占到20%左右,具有顯著的經濟、社會意義。近年來,預應力加固技術在橋梁工程上的應用愈發廣泛。使用外加預應力的方法可以使結構由受彎狀態轉變為壓彎狀態,消除或降低梁底拉應力,進而提高橋梁承載能力,達到主動加固技術的目的。不足之處在于存在應力集中大,容易對原結構造成損傷的特點。

      一、PS-ECC加固技術

      高強預應力鋼絲-高性能水泥基纖維復合材料(PS-ECC)加固技術,是一種新型的復合加固技術,主要利用高強預應力鋼絲提供預應力,并使用高性能水泥基纖維復合材料增強粘結、提供保護。主要服務于為數量眾多的中小跨徑橋梁病橋、危橋的抗彎加固。

      PS-ECC加固技術把常規集中的預應力分散成均勻的鋼絲應力,具有更小的錨具壓力,更優化的應力分布。張拉錨固裝置自身高度小,基本對原構件不造成任何損害,在受限的區域也可實現張拉錨固,方便安裝、適用性強、施工簡便。其覆蓋層高性能水泥基纖維復合材料,具有高粘結能力和高密實度,提高被加固結構與外加鋼絲之間的協同性、耐久性。外形也較美觀、平整。

      二、PS-ECC加固技術的機理分析

     ?。ㄒ唬埨^固機理

      PS-ECC加固技術,利用張拉沿梁寬均勻布設的∅7mm平行高強預應力鋼絲提供預應力;端頭處巧妙利用對邊銑扁空心傳力螺桿,通過扭力扳手(免千斤頂方式)達到預應力鋼絲的張拉;鋼絲的錨固利用緊貼于梁底、小且“薄”的鋼墊板實現。并在錨固完成后在其表面噴涂3~5cm厚的高性能水泥基纖維復合材料進行覆蓋。其裝置組成主要由張拉端及錨固端鋼板、高強鋼絲、對邊銑扁空心傳力螺桿、張拉加長六角螺母等組成。張拉錨固裝置各構件如圖2所示。

      對邊銑扁空心傳力螺桿表面為能夠受力自鎖的梯形螺紋,傳力及錨固可靠。利用其伸長時不轉動的機械特征,配合扭力扳手施擰螺母致其軸向移動,從而達到高強鋼絲張拉的目的。并在錨固完成后使用纖維增強水泥基材料材料進行覆蓋。

     ?。ǘ埨^程控制

      高強鋼絲的張拉采用張拉力與伸長量雙控。張拉力通過扭力扳手的扭矩值控制,伸長量通過實際測量鋼絲的伸長量或測量對邊銑扁空心傳力螺桿軸向移動距離,加上初始應力前由應力應變關系計算得出的預應力鋼絲理論伸長量。

      1、張拉扭矩計算

      扭力扳手的扭矩值與張拉力的關系通過試驗實測得出。對于M10~M68的粗牙螺紋,扭力扳手的扭矩理論參考值按下式進行簡化計算:

      試驗中實踐證明,張拉前對螺桿表面潤滑處理有利于扭轉張拉。

      2、鋼絲下料長度計算

      高強預應力鋼絲的理論伸長量按下確定:

      預應力鋼絲下料長度可根據下式進行計算:

      3、預應力損失情況

      預應力鋼絲的預應力損失計算中應考慮:預應力束錨固構造中的摩擦損失、錨具變形、預應力鋼絲回縮和預應力鋼絲的松弛損失等。通過PS-ECC加固預應力損失試驗得知:24h預應力損失度為8.9%,總損失度處于合理的范圍內。在張拉到位的第一個小時內預應力損失了3.9%,約占總預應力損失的44%,損失較快;在接下來的12個小時內,預應力有緩慢損失,12個小時損失了4.2%,占總損失的47%;并在第14個小時后趨于穩定,11個小時損失了0.8%,僅占總損失的9%,基本維持在一定數值。

      三、PS-ECC技術抗彎加固分析

     ?。ㄒ唬㏄S-ECC抗彎加固模型建立

      采用PS-ECC技術加固矩形截面鋼筋混凝土簡支梁,采用Midas Fea有限元軟件建立了實體混凝土梁,分析加固前后適筋梁的抗彎性能。梁截面尺寸為b×h=200mm×240mm,跨度為l=3200mm,凈跨度為3000mm,縱向受拉鋼筋均為3Φ16。并建立了預應力及其錨固裝置,預應力鋼絲∅7,布置兩根,張拉控制應力為0.7fpk=1169MPa。

     ?。ǘ﹩卧緲嬤x擇

      材料的基本特性如下表所示:

      混凝土本構關系采用總應變裂縫模型,在這種本構關系下混凝土的抗拉、抗壓函數可以按規范或經驗來定義,能夠很好地模擬混凝土的實際受力情況??倯兞芽p模型中提供的受拉函數有彈性、常量、脆性、線性、指數、Hordijk、多線性。本次建?;炷潦芾P瓦x用脆性,即當混凝土的拉應力超過抗拉強度時拉應力不再增加,抵抗應力為零。

     ?。ㄈ┙Y果分析

      模型梁加載過程中的應力應變云圖如下:

      模型梁加載過程中的荷載-位移曲線如下:

      加固前后梁的荷載-撓度曲線形狀類似,開始段直線斜率較大,隨著荷載的增大出現明顯轉折,斜率變小,有反彎段,有顯著的屈服特征。相比原梁,預應力加固的試件L-2、L-3的屈服荷載明顯增大,提高了約16kN,提高幅度超過20%,表明PS-ECC加固技術可以提高模型梁的屈服點,增強結構的受力性能,延長了彈性階段。極限承載力對比發現,L-1梁的最大承載力為85.0kN,而L-2、L-3梁該值提高到約102kN,極限承載力提高了19.8%,表明PS-ECC加固技術在一定范圍內可以提高適筋梁的極限承載能力。PS-ECC加固技術對梁體承載力的提高作用主要來源于預應力鋼絲加固,ECC覆蓋層對承載能力貢獻較小,但對梁的延性有促進作用。

      四、PS-ECC加固技術的施工工藝

      PS-ECC加固技術的施工工藝流程主要分為三步:

      1、錨固板的安裝

      混凝土表面處理→放樣→定位錨栓位置→鉆孔、清孔→植錨栓→安裝錨固板。

      在混凝土梁底確定擬加固范圍,打磨平整,除去表面浮漿、油污等雜質。使用鋼筋探測儀進行鋼筋探測,錨固板平面螺孔位置應避開混凝土中主筋位置。在已定位標記點位置使用沖擊鉆鉆孔,并用毛刷和壓縮空氣清孔。然后在在孔中埋置化學錨栓,等待其滿足力學要求。安裝錨固板前在貼合面平鋪薄層環氧砂漿3~5mm,將錨固板套入錨栓,擰緊螺栓螺母。

      2、預應力鋼絲鐓頭及張拉

      預應力鋼絲下料→鋼絲鐓頭→張拉裝置安裝就位→預應力張拉。

      使用鋼筋切斷機或砂輪鋸進行預應力鋼絲的切割下料,穿戴對邊銑扁空心傳力螺桿和墊片,并在鐓頭器上進行兩端鐓頭。然后將預應力鋼絲安裝就位。調整扭力扳手預設扭力值,使用扭力扳手分級擰緊螺母、逐級加載,張拉程序為:

      3、ECC覆蓋層的施工

      在預應力鋼絲錨固完成后施做覆蓋層可以有效防止錨固件及鋼絲的銹蝕,增強預應力鋼絲同混凝土的握裹力,提高結構的耐久性及剛度,并在外觀上易于被人們接受。在以下情況時應做表面覆蓋層的施工:

     ?、賹Π踩燃壱筝^高的市政橋梁;

     ?、谲嚵髁看?、重車通行較多的橋梁;

     ?、蹖蛄旱撞康拿烙^要求較高的橋梁;

     ?、芴幱诔睗?、酸性等惡劣環境或沿海地區等易引發鋼材銹蝕地區的橋梁;

     ?、菰O計中有明確要求做覆蓋層的橋梁。

      覆蓋層的施工工藝順序為:基層處理→界面粘結劑噴涂→材料配制→噴射混凝土→抹面→量測→補噴→平整→養護。

      覆蓋層施工采用人工抹面或噴射混凝土工藝完成。覆蓋厚度不宜超過4cm。施做覆蓋層前可對加固區域梁底噴涂界面粘結劑。

      五、結論

     ?。?)PS-ECC加固技術通過張拉高強預應力鋼絲并采用ECC作為覆蓋層,對預應力進行分散,具有更小的錨具壓力,更優化的應力分布??蓪崿F免千斤頂張拉,錨固裝置輕巧、安裝方便。主要服務于為數量眾多的中小跨徑橋梁病橋、危橋的抗彎加固。

     ?。?)通過PS-ECC技術加固適筋梁的抗彎性能分析表明,加固后梁的極限承載力提高了19.8%。PS-ECC加固技術在一定范圍內可以提高適筋梁的屈服點、承載能力,增強結構的受力性能。

     ?。?)PS-ECC加固技術的施工工藝流程主要分為三步,預應力鋼絲鐓頭及張拉是關鍵控制步驟。整體施工簡便,可實現小操作空間下張拉,適用性較強。



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