体外预应力加固桥梁技术 体外预应力在桥梁加固工程中的应用

　　摘要:体外预应力加固技术以其施工方便，加固效果好等优点，被广泛的应用于旧桥加固中。本文简要介绍体外预应力加固的特点、组成、作用机理、体外束布置等，并通过实际工程实例说明体外预应力加固旧桥是可行的，为相关桥梁加固提供参考。
　　关键词:体外预应力 体外索 桥梁 加固
　　自20世纪90年代以来，我国加大了基础设施建设投入，公路和城市建设正如火如荼的开展着。随着我国经济的发展，道路交通量猛增、车辆超载现象普遍存在，在长期的超载运营下，桥梁老化、损伤日益严重，旧桥加固已迫在眉睫。近年来，体外预应力加固已被广泛的应用于旧桥加固工程中。大量的工程实践证明，体外预应力加固旧桥能显著提高结构的承载能力，有效改善结构的受力状态[1]。
　　1、体外预应力加固技术
　　体外预应力结构的概念最早产生于法国，体外预应力体系是后张预应力体系的重要分支之一，是一种使用完全位于构件主体截面以外的预应力束来对构件施加预应力的结构体系。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，加固桥梁结构时，仅把钢束锚固区域设置在桥梁结构本体内，转向块设置在桥梁结构体内或体外。在梁体的下部受拉区，以冷拉粗钢筋、钢绞线或高强钢丝束为预应力筋通过张拉对梁体产生偏心预压力，在此偏心压力作用下，梁体发生上拱，荷载挠度减小，改善梁体受力状况，从而达到提高承载能力的目的[2]。
　　2、体外预应力加固作用机理及适用条件
　　通过在梁体外布设钢材的拉杆或撑杆，并与被加固的梁体锚固联结，然后施加预应力，强迫后加的拉杆或撑杆受力，从而改变原结构的内力分布，并降低原结构应力水平，使结构总承载力显著提高，其可以减少结构的变形、裂缝宽度缩小甚至完全闭合。这就是体外预应力加固梁式桥梁，并能提高其承载力的机理。
　　根据上述作用机理，体外索一般通过转向装置布置成折线形。在预应力筋张拉受力后，斜筋产生的水平分力可以对梁体施加偏心压力，其竖向分力则对梁体产生负弯矩和负剪力。这些预加力使梁体内储备了一部分抗力，可以部分地抵消外荷载引起的内力，从而提高原梁的承载力。
　　总之，体外预应力加固桥梁结构的实质是对控制截面进行卸载，是一种较为有效的主动加固方法，该方法自重增加很少，却能够大幅改善和调整原结构的受力状况，提高承重结构的刚度和抗裂性能，对墩台及基础的受力影响很小，同时对桥梁运营影响也较小，可大大减少交通损失及交通维护费用。体外预应力加固方法也有适用条件，且技术要求也比较高。
　　采用体外预应力加固桥梁，主要适用于以下情况：使用荷载下，原受弯构件抗弯抗剪强度不足，或刚度不足，裂缝过多，过宽；使用荷载下，大偏心受拉或受压构件，受拉裂缝过多，过宽，施加预压力后应能保证受压构件的稳定性要求；改善结构控制截面的受力状况及变形，较大提高构件的承载能力；在一定条件下提高桥梁的荷载等级或作为重车过桥的临时加固手段[3]。
　　3、体外预应力加固方法的优点
　　体外预应力加固具有许多优点：(1)预应力施工工艺相对简单、施工时可不封闭交通、所需设备也比较简单、人力投入少、工期短、经济效益明显。(2)自重增加小，能大幅度改善和调整原结构的受力状况，提高承重结构的刚度、抗裂性能，加固效果较好。(3)对原结构的损伤影响较小，对桥下净空影响较小，基本不增加路面标高，由于自重增加较小，对原结构墩台基础的影响也较小。
　　4、体外预应力加固设计工程实例
　　秦皇岛某立交桥为钢筋混凝土连续结构箱梁桥，主桥跨径为25m，匝道桥主要跨径为20m，桥梁设计荷载等级为汽-超20、挂120。由于长期超载运行，桥梁存在不同程度的损伤及开裂，经桥梁检测及静动载试验结果，该桥13-19跨钢筋应力测试校验系数位于0.72～1.47之间，且大部分已经大于1，标明该联结构正截面强度已不能满足汽-超20，挂120荷载等级的要求。各荷载工况下的挠度校验系数大部分也均大于1，不满足“评定规程[4]”规定的0.5～0.9的要求，表明该联结构竖向刚度已经不能满足汽-超20，挂-120荷载等级的要求。
　　根据荷载试验报告得出的结论，需对该桥进行加固处理，通过对各加固方法的对比分析，最终选定体外预应力加固方法进行加固处理。考虑到箱梁结构箱室空间较小，箱梁混凝土强度等级较低（低于C30），且桥下净空受限，因此体外索布置方式不宜采用折线形。通过计算分析，最终确定体外索采用直线型布置，分散布置与箱梁底板上。
　　因体外索分散布置于箱梁底板上，体外索采用直径为φs8.6的1×3股钢绞线，锚具采用YM9－1型专用锚具，锚具垫板纵向采用10mm厚。锚具垫板与箱梁体首先采用粘贴钢板的方式粘贴于梁底，再采用植筋锚栓进行固定。体外索张拉控制应力取其标准值的57%，并分两次进行张拉，第一次张拉80%，第二次张拉至设计应力。预应力钢绞线张拉结束后，在预应力钢绞线范围内喷射3cm厚水泥砂浆，使其成为部分有粘结预应力，同时保护钢丝免于锈蚀，提高结构的耐久性；预应力钢绞线锚具区域内喷射二层共6cm厚水泥砂浆。
　　桥梁加固后，经荷载试验知，所有测点挠度实测值均小于相应理论值，校验系数小于1.00。说明加固后桥梁上部结构的竖向刚度满足原设计汽-超20、挂-120荷载的要求。部分测点应力实测值均小于相应理论值，校验系数小于1.00。说明加固后桥梁上部结构的强度满足原设计汽-超20、挂-120荷载的要求。在试验过程中，试验联上部结构未出现新裂缝。由此说明上述加固方法是可行的，为进一步说明加固方法的有效性，以第13跨为例，对比加固前后的荷载试验数据；其加固前后跨中相同测点的挠度曲线见图1所示，相应的校验系数曲线见图2所示。
　　通过上述分析及图4、5可知，体外预应力加固后，第13跨跨中实测挠度明显减小，荷载试验挠度校验系数减小至0.9以下，基本满足检测评定规程的要求。由此可知，加固后的上部结构基本达到原设计汽-超20、挂-120荷载的要求及刚度要求。
　　5、体外预应力筋的防护
　　体外预应力加固桥梁时，体外索布置于梁体结构之外，容易受到外部环境的腐蚀，加固完成后桥面行车可能引起体外索的振动和滑移，因此需要采取必要的措施加强防护和监测。目前常用的防护形式有：采用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，通过体外预应力索管道及其内的灌浆材料达到防腐目的。本文体外索防护采用喷射高强水泥砂浆，使其形成部分有粘结预应力混凝土结构，以达到体外索的防护目的。
　　6、结语
　　采用体外预应力法加固旧桥是可行的，能较大幅度的提高旧桥承载能力，是一种较好的主动加固方法；当布置折线形体外索受限时，可通过分散布置直线型体外索来代替折线形体外索，基本可以达到体外索加固桥梁的目的。体外预应力加固桥梁具有施工方便，施工时不封闭交通，能较大幅度提高结构承载能力等优点。但进行体外预应力加固桥梁时还应考虑的问题有：体外索的施加方式方法、减小体外预应力损失的措施、体外预应力的疲劳性能和防腐防护措施等，上述问题还需要在实际工程中做进一步的试验研究。
　　参考文献
　　[1]范峥,薛磊,韩宗泽.体外预应力加固技术研究[J].天津建设科技,2008.
　　[2]卢文良.预应力体外索加固既有铁路桥梁[J].铁道标准设计,1997.10.
　　[3]张帅.预应力混凝土桥梁损伤评估及仿真加固分析研究.北京交通大学硕士论文,2009.06.
　　[4]中华人名共和国行业标准.公路桥梁承载能力检测评定规程（JTG/T J21-2011）.人民交通出版社,2011.