桥梁体外预应力加固技术综述

　　摘要:文中阐述了体外预应力结构的历史、发展状况;系统地论述了体外预应力结构的力学特征、耐久性、桥梁结构加固及应用前景,详细介绍了梁体的体外预应力加固技术。

　　关键词:体外预应力,桥梁加固,应用

　　体外预应力混凝土技术早在1934 年即由德国工程师迪辛格尔取得了德国专利,于1937 年建成的世界第一座预应力混凝土桥就属于体外预应力结构。由于当时体外索的防腐问题尚未解决,故该项技术没有得到推广。自20 个世纪80年代以来,随着钢筋防腐措施的改进,体外预应力技术无论是在新建还是在加固工程中,均得到了广泛地应用,已成为后张预应力体系的重要分支之一。

　　我国正处于道路与城市建设的高峰期,体外预应力技术具有极大的针对性, 尤其在桥梁建设中有着巨大地应用前景。体外预应力技术由于具有施工方便、经济可靠,预应力筋可以单独防腐甚至可以更换等特点,近年来,体外预应力梁已被广泛应用于旧桥的加固工程中。众多的工程实践证明,利用体外预应力加固旧桥能显著提高结构承载力和抗裂度,有效改善结构的应力状

　　1 体外预应力的概念与体系

　　体外预应力是指对布置于承载桥梁结构本体之外的钢束张拉而产生预应力。设计时仅把钢束锚固区域设置在桥梁结构本体内，转向块可设在桥梁结构体内或体外。

　　体外预应力体系由体外预应力管道(高密度聚乙烯管HDPE或钢管等)、浆体(防腐油脂或水泥浆体)、锚固体系和转向块等部件组成。体外预应力体系分为有粘结体外预应力体系和无粘结体外预应力体系。有粘结预应力体系是将钢铰线穿入孔道内张拉后，向孔道管内灌入水泥浆。无粘结预应力体系的体外预应力筋由若干单根无粘结筋组成，将单根无粘结筋平行穿入管内，张拉之前，先完成灌浆工艺，由水泥浆体将单根无粘结筋定位，张拉后不灌入水泥浆。

　　2 体外预应力加固的组成构造特点

　　2.1 组成构造特点

　　桥梁体外预应力加固体系的形式是多种多样的。从构造形式上看，该体系主要由以下几部分组成：水平筋、斜筋、上锚固点、滑块、U形承托、水平筋固定支座。

　　(1) 体外预应力索、管道和灌浆材料

　　体外预应力体系采用的预应力索一般由钢铰线组成，包括与体内预应力混凝土结构完全相同的普通钢铰线以及镀锌钢铰线或外表涂层和外包PE防护的单根无粘结钢铰线。体外预应力索管道主要起防腐作用，它通常有两种形式：一是全部采用钢管道，二是钢管与高密度聚乙烯管道相结合的方式，即除在锚固段及转向弯曲段采用钢管外在其它直线段均采用高密度聚乙烯管道。

　　体外预应力索管道的灌浆材料可分为刚性灌浆材料和非刚性灌浆材料。刚性灌浆材料通常指水泥非刚性灌浆材料(如油脂和石蜡)。水泥灌浆是最简单和常用的，它可以适用于与结构有离散粘结的体外预应力结构，也适用于与结构完全无粘结的体外预应力结构。而油脂和石蜡通常用在由普通钢铰线和钢管道组成的预应力系统中，以达到钢索与结构无粘结的目的。

　　(2) 体外预应力索的锚固系统

　　体外预应力索的锚固体系一般可分为可更换和不可更换两大类。在可更换的体外预应力锚具中又包括钢索无法放松和可放松两种类型。使用无法放松的钢索可以是普通的钢铰线也可以是单根无粘结钢铰线。使用普通钢铰线时在管道中灌注非刚性灌浆材料(油脂或石蜡)，使用无粘结钢铰线时管道中一般灌注水泥浆。但两种类型的锚具中均使用防腐材料填密而不使用水泥浆以满足钢索可更换的要求。可放松的类型在锚具后需预留一定长度的钢索以满足钢索放松的需要，这种锚具的体外预应力索只能是无粘结钢索。

　　(3) 体外预应力索的转向装置

　　体外预应力索的转向装置是体外预应力索在跨内唯一与混凝土体有联系的构件，起体外预应力索转向的重要作用。图1～图4是体外预应力混凝土结构中最常见的转向装置。

　　图1为块状式转向构造，只能承受钢索的竖向分力，大量应用于跨径较小、采用阶段施工的体外预应力混凝土结构。图2为底横肋式转向构造，能承受体外预应力索产生的横向水平分力。转向构造的混凝土在箱梁底板上是贯通的，这种构造常用于斜、弯的体外预应力 结构。图3为能承受较大钢索分力的横竖肋式转向构造，竖横肋把钢索的转向力传至箱梁腹板和上梗腋。由于箱梁采用斜腹板，横肋在底板用另一根横梁贯通以承受转向构造产生的水平分力。若竖向和横向的横肋全部加宽，这样的转向构造就成为转向横梁，常用于钢索转向力特别大的结构中。图4为由较轻的钢构件组成转向鞍座的钢鞍座式转向构造，钢板用于传力和定位，斜杆和水平杆的合力用于抵消体外钢索在转向时产生的竖直及水平分力。这种轻型钢鞍座转向构造使用灵活、方便也可用于加固结构中。由于转向钢管要承受钢索所产生的向上弯折力，一般需要壁厚较大的钢管。

　　3 常见的体外预应力加固方法及施工工艺

　　采用体外预应力对梁式桥上部结构进行补强加固，其作法是在梁体下缘受拉区设置用粗钢筋形成的预应力拉杆或预应力钢束，通过张拉对梁体产生偏心的预应力，在此偏心压力作用下梁体上拱，荷载挠度减小，改善了结构的受力，从而提高了结构承载力。

　　3.1 下撑式预应力拉杆(粗钢筋)加固法

　　当桥下净空许可时，可采用在梁下设置预应力拉杆(粗钢筋)体系进行补强，也可将粗钢筋锚固在从梁端数起的第二道横隔板上，改变支撑点的位置和调整拉杆中的拉力以满足承载力的要求。

　　(1) 横向收紧张拉法

　　作为拉杆的粗钢筋分两层布置在梁肋底面两侧，在靠近梁端适当位置上弯起，与固定在梁端的钢制U形锚固板焊接。粗钢筋弯起处用短钢筋支撑，纵向每隔一定间距设一道撑棍和锁紧螺栓。通过收紧器将拉杆横向收缩收紧而使拉杆受力，从而在梁体中产生预压应力。

　　(2) 纵向张拉法

　　当采用纵向张拉法补强加固时，拉杆钢筋沿梁底部布置，两端向上弯起，它与横向收紧张拉法不同之处在于，拉杆两端弯起段通常都穿过翼缘板上的斜孔伸至桥面，拉杆端部设有丝扣，用轧丝锚锚固于梁顶的锚固槽内，对拉杆钢筋施加预应力可以用旋紧螺帽，端部用张拉千斤顶张拉，拉杆中间设置法兰螺丝收紧扣及电热张拉等手段完成。

　　(3) 组合式预应力补强拉杆加固法

　　这是既布置水平补强拉杆，也布置有下撑式补强拉杆的组合式体外预应力加固方法。

　　(4) 竖向顶撑张拉法

　　在梁端底部设置U形钢锚固板，沿梁底设置拉杆，拉杆两端焊在钢锚固板上，在梁的1/4跨径及跨中(或跨间横隔板)位置设置张紧夹具，张紧夹具安装在固定于梁腹或横隔板上的承托架上给拉杆施加预应力，当拉杆达到设计应力值后，用钢筋混凝土垫块在拉杆与梁底面楔紧，以固定拉杆位置并保持张拉力，卸除张紧夹具和承托架并做好拉杆的防锈处理。

　　3.2 体外预应力钢丝束加固法

　　一般沿梁肋侧面按某种曲线(抛物线等)线形设置预应力钢丝束。为保持曲线线形并固定钢束位置，在梁底每隔一定间距(50～100cm)设置一个定位箍圈(有梁底向上兜)，或者在梁肋侧面埋设定位销。钢丝束的两端头则穿过梁端翼缘板上的斜孔伸至梁顶锚固。为防止钢丝束锈蚀，预应力钢丝束应放在保护导管内或张拉后在钢丝束周围用混凝土包裹。

　　4　设计计算的步骤和方法

　　(1) 体外预应力加固体系的力学分析

　　用力法求解体外预应力加固体系内力时,以活载引起的水平钢筋拉力增量为变量,切断水平筋而得到基本结构,计算得到水平钢筋承担的力之后,可进行体外索的配置,由水平钢筋的张力估算出预应力筋的用量,最后校核计算结果。

　　(2) 求解加固体系的预应力损失

　　预应力损失的计算主要包括:摩阻力引起的预应力损失; 锚具变形引起的预应力损失; 温差引起的预应力;分批张拉由于混凝土弹性收缩引起的预应力损失; 钢筋松弛引起的预应力损失;混凝土收缩与徐变引起的预应力损失。

　　(2) 加固体系正常使用阶段验算

　　钢筋应力验算:根据应力控制条件来判断是否满足要求; 裂缝验算: 采用直接控制裂缝宽度的方式计算,求最大裂缝宽度; 挠度验算: 根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 - 2004) ,控制活载挠度为f k = f a + f Xp ≤LP600 。

　　5　工程实例

　　某桥梁主梁跨径为19. 2 m ,原设计荷载为汽- 15 ,目前梁体部分混凝土开始脱落,出现了纵向贯通裂缝,钢筋也开始锈蚀。为了不影响正常的交通,拟采用体外预应力来加固,加固后的荷载等级标准为汽- 20 。

　　梁体为C25 混凝土, f c = 2. 85 ×104 NPmm2 。主梁截面尺寸见图2 。

　　跨中截面主筋面积为Ag = 68. 37 cm2 ,梁自重及恒载在跨中截面引起的弯矩为Mg = 1256. 69kN·m ,提高荷载等级后汽车活载在跨中截面产生的弯矩为Mg = 1200 kN·m。

　　加固体系拟采用钢铰线,水平钢筋为同钢绞线束,单根钢铰线的截面面积为Ap1 = 139 mm2 ,

　　抗拉强度标准值为Aptk = 1 860 MPa ,张拉控制应力取σcon = 0. 55f ptk = 1 023 MPa 。

　　(1) 计算主梁截面几何性质,跨中截面对下边缘的抵抗矩

　　Wσx = 6. 86 ×107 (mm3 )

　　(2) 计算活载引起的水平预应力筋增量

　　Xp = (1. 02 ×10 - 3 ) ×Ay (N)/10. 54 ×10 – 11

　　(3) 体外预应力加固体系在加固时钢筋的总预应力损失为

　　σs=σs1 +σs2 +σs3 +σs5 = 59. 87 (MPa)

　　(4) 体外索配筋计算

　　求解结果为Ay = 1 165 mm2 ;所需预应力钢铰线的根数为8. 4 ,取9 根。采用3 束3 Φj15. 2 预应力钢筋束,Ay = 1 251 mm2 。

　　(5) 计算预应力水平钢筋拉力增量

　　采用力法计算可得Xp = 12. 1 kN ,当采用简化公式来计算拉力增量时, 计算结果为Xp =11. 9 kN。两者相差很小,故用简化公式来计算也可以满足要求。

　　(6) 加固体系正常使用阶段验算

　　钢筋应力验算

　　σy = 972. 8 MPa < f = 1 209 MPa ,故满足控制应力要求。

　　裂缝验算

　　δfmax = 0. 01 mm < f = 0. 1 mm ,裂缝最大值满足要求。

　　加固体系的挠度验算

　　f k = 26. 03 ≤LP600 = 32. 5 mm ,故加固体系的挠度满足要求。

　　综上所述,对该梁桥进行的体外预应力加固经过各种验算均能满足要求,经加固后该桥可以达到设计的荷载标准。

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