淺議預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在公路橋梁中的運(yùn)用及其特點(diǎn)

邱小敏

摘要：預(yù)應(yīng)力加固體系，從作用原理上解決了后加補(bǔ)強(qiáng)材料“應(yīng)變滯后”所造成的材料利用效率不高的問題。文章介紹了工程中常用的體外預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)復(fù)合纖維預(yù)應(yīng)力、有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的工作原理及其技術(shù)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：公路橋梁；預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)；體外預(yù)應(yīng)力；高強(qiáng)復(fù)合纖維預(yù)應(yīng)力；有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U445文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）09-0140-02

一、概論

（一）混凝土耐久性

20世紀(jì)90年代初，混凝土橋梁的耐久性已引起世界各國(guó)的重視，通過對(duì)大量具有20年以上橋齡的混凝土橋梁的養(yǎng)護(hù)管理實(shí)踐，人們發(fā)現(xiàn)橋梁的混凝土開裂、剝落、衰變及鋼筋的銹蝕（管道灌漿不飽滿普遍存在）對(duì)橋梁的損害問題非常嚴(yán)重，已成為迫切需要解決的問題。嚴(yán)重?fù)p害的橋梁己危及交通的安全，需要大量的資金來維護(hù)或改建，嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí)使人們開始重視混凝土橋梁的耐久性。提高混凝土橋梁耐久性的技術(shù)途徑有兩個(gè)，一是采用高性能混凝土，以提高混凝土的抗?jié)B性、勻質(zhì)性、抗凍性，從而提高混凝土抵抗碳化和冷凍侵襲的能力；另外一種是提高既有橋梁耐久性的有效途徑即對(duì)缺陷橋梁進(jìn)行加固改造，延長(zhǎng)其使用壽命。

（二）橋梁加固

橋梁加固改造是運(yùn)用有效可行的技術(shù)手段對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)物進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固及拓寬，其根本目的是恢復(fù)和提高其承載能力及耐久性。目前，常用的橋梁加固方法很多，從大的方面劃分可分為上部結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固和下部結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固。橋梁上部結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固方法又分為改變結(jié)構(gòu)受力體系方法和不改變結(jié)構(gòu)受力體系方法兩類。從后加補(bǔ)強(qiáng)材料是否具備預(yù)應(yīng)力及基本受力原理來看，橋梁上部加固又可劃分為兩大類，即主動(dòng)加固和被動(dòng)加固。

（三）橋梁主動(dòng)加固原理

在受拉區(qū)（或抗剪薄弱區(qū)）直接增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)材料，例如：補(bǔ)焊鋼筋、粘貼鋼板、粘貼高強(qiáng)復(fù)合纖維材料（碳纖維、芳綸纖維）等。這種加固方法從作用原理上講，屬于被動(dòng)加固范疇。實(shí)際上設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮帶載加固及分階段受力特點(diǎn)，構(gòu)件自重及恒載由原梁承擔(dān)；活載由加固后的組合截面承擔(dān)，后加補(bǔ)強(qiáng)材料強(qiáng)度發(fā)揮程度受原梁變形的限制。

（四）橋梁被動(dòng)加固原理

為解決后加補(bǔ)強(qiáng)材料“應(yīng)變滯后”，提高后加補(bǔ)強(qiáng)材料利用率，對(duì)后加補(bǔ)強(qiáng)材料施加預(yù)應(yīng)力，采用預(yù)加力原理進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。從作用原理上講預(yù)應(yīng)力加固屬于主動(dòng)加固范疇。后加補(bǔ)強(qiáng)材料主動(dòng)受力，由于預(yù)加力的作用，改善了原梁的應(yīng)力狀態(tài)，以達(dá)到提高原梁承載力和抗裂性的目的。目前，橋梁結(jié)構(gòu)中采用的預(yù)應(yīng)力加固體系主要

有三種：即體外預(yù)應(yīng)力加固體系、高強(qiáng)復(fù)合纖維預(yù)應(yīng)力加固體系、有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系。

二、體外預(yù)應(yīng)力加固體系

（一）發(fā)展背景

20世紀(jì)70年代，隨著交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，舊路改造及舊橋加固引起世界各國(guó)的普遍重視，很多國(guó)家開展了舊橋加固研究，在歐洲一些國(guó)家，采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固橋梁，提高原橋的荷載等級(jí)，收到了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在舊橋加固中的應(yīng)用，又促進(jìn)和加深了人們對(duì)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的認(rèn)識(shí)。實(shí)際上，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)伴隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的產(chǎn)生而出現(xiàn)，并且利用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)修建混凝土橋梁先于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，因此它是一門古老的新生技術(shù)。早在1934年德國(guó)人迪申格爾的體外無粘結(jié)筋技術(shù)便取得了德國(guó)和法國(guó)的專利，并于1936年建成實(shí)橋。但由于處于體外的鋼筋防銹蝕技術(shù)不成熟，致使橋梁養(yǎng)護(hù)、維修費(fèi)用很高，因而在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)阻礙了這一技術(shù)的發(fā)展。90年代以來，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在國(guó)外得到了迅速發(fā)展，這一方面是由于人們對(duì)混凝土耐久性認(rèn)識(shí)的提高，迫切期望創(chuàng)造一種具有防腐性能的結(jié)構(gòu)，為體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)；另一方面，隨著斜拉橋技術(shù)的發(fā)展，成功地解決了鋼絲的防銹蝕和大噸位錨頭的設(shè)計(jì)和施工問題，消除了體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展的最大障礙，使體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展獲得了新生。隨著體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)理論及實(shí)用技術(shù)的不斷發(fā)展，反過來叉進(jìn)一步促進(jìn)了體外預(yù)應(yīng)力加固舊橋的應(yīng)用。

（二）作用原理

體外預(yù)應(yīng)力加固是將具有防腐保護(hù)的預(yù)應(yīng)力筋布置在梁體的外部（或箱內(nèi)），對(duì)梁體施加預(yù)應(yīng)力，以預(yù)加力產(chǎn)生的反彎矩抵消部分外荷產(chǎn)生的內(nèi)力，達(dá)到改善梁的使用功能和提高梁的承載能力的目的。體外預(yù)應(yīng)力加固是目前采用較多的加固方法之一，特別適用于在大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和連續(xù)T構(gòu)箱梁橋的加固。體外預(yù)應(yīng)力筋錨固在梁端（或中間）橫隔梁上，跨間用轉(zhuǎn)向塊調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋的角度，以適應(yīng)梁的受力要求。嚴(yán)格來講，體外預(yù)應(yīng)力、體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力、包括斜拉橋在內(nèi)，都屬于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)理論分析的核心問題是預(yù)應(yīng)力鋼柬在各受力階段的應(yīng)力增量計(jì)算問題。

（三）技術(shù)特點(diǎn)

與普通預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相比，體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有如下主要優(yōu)點(diǎn)：（1）體外預(yù)應(yīng)力鋼筋可以是不可更換的，也可以設(shè)計(jì)成可更換、可補(bǔ)拉的，可更換的體外力筋，易于維修、養(yǎng)護(hù)、加固；（2）體外預(yù)應(yīng)力加固舊橋構(gòu)造簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了施工。由于梁肋中不設(shè)管道，避免了截面削弱，體外配筋方式取消管道灌漿工序可實(shí)現(xiàn)全年施工，對(duì)處于寒冷地區(qū)的北方各省具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義；（3）減小了鋼筋柬的摩阻損失，預(yù)應(yīng)力筋利用效率高，力筋應(yīng)力變化幅值小，對(duì)抗疲勞有利。體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土橋梁在我國(guó)的推廣應(yīng)用，為解決工程上長(zhǎng)期困擾的混凝土耐久性問題提供了可能，橋梁耐久性的提高，使用壽命的延長(zhǎng)（換一次索或補(bǔ)拉一次，可延長(zhǎng)使用壽命長(zhǎng)達(dá)20年），可為橋梁養(yǎng)護(hù)管理及加固補(bǔ)強(qiáng)帶來可觀的直接經(jīng)濟(jì)效益，其間接和長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益亦相當(dāng)顯著。

三、高強(qiáng)復(fù)合纖維預(yù)應(yīng)力加固體系

目前，工程上應(yīng)用的高強(qiáng)復(fù)合纖維主要有芳倫纖維及碳纖維（FRP），由于碳纖維材料在橋梁加固中的應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，故本文主要介紹碳纖維預(yù)應(yīng)力加固。

（一）問題提出

工程上采用較多的是在結(jié)構(gòu)受拉區(qū)或抗剪薄弱區(qū)域，直接粘貼纖維的加固方法。就實(shí)際工程中大量遇到的承載力加固而言，采用在受拉區(qū)直接粘貼碳纖維布的被動(dòng)加固方法，后加補(bǔ)強(qiáng)材料是不能充分發(fā)揮作用的。按照分階段受力特點(diǎn)，直接粘貼的后加補(bǔ)強(qiáng)材料只承擔(dān)活載內(nèi)力；與原梁鋼筋相比，其應(yīng)變嚴(yán)重“滯后”。極限狀態(tài)下，其強(qiáng)度的發(fā)揮程度受原梁變形的限制，一般情況下達(dá)不到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。計(jì)算表明，對(duì)原梁高度較小、配筋率較大的情況，加固設(shè)計(jì)以混凝土壓應(yīng)變達(dá)到極限值控制設(shè)計(jì)，在極限狀態(tài)下，后加補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)力僅為700 MPa～800 MPa，此值只相當(dāng)碳纖維抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的（21.2%～24.2%）；對(duì)原梁高度較大、配筋率較小的情況，加固設(shè)計(jì)以原梁鋼筋應(yīng)變達(dá)到極限值0.01控制設(shè)計(jì)，在極限狀態(tài)下，后加補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)力也只有2000MPa左右，此值相當(dāng)碳纖維抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的60%。由于受原梁變形限制，在極限狀態(tài)下高強(qiáng)復(fù)合纖維的高抗拉I陛能根本無法充分發(fā)揮作用，造成一種極大的浪費(fèi)。而且，不加分析的盲目增加后補(bǔ)強(qiáng)材料的用量，加固后構(gòu)件可能發(fā)生超筋脆性破壞，設(shè)計(jì)是不安全的。

（二）作用原理

為了提高碳纖維材料的利用效率及增強(qiáng)舊橋加固效果，對(duì)碳纖維材料施加預(yù)應(yīng)力是一種有效的辦法。碳纖維預(yù)應(yīng)力加固的作用原理為，利用錨固粘貼于被加固梁體上的碳纖維布條（或板條）對(duì)梁體施加預(yù)應(yīng)力，改善加固梁的受力狀態(tài)，其關(guān)鍵技術(shù)是解決適應(yīng)于橋梁現(xiàn)場(chǎng)施工的預(yù)應(yīng)力纖維布（或板）的張拉、錨固問題。目前，這種加固體系尚處于試驗(yàn)研究階段。

（三）技術(shù)特點(diǎn)

（1）高強(qiáng)高效。由于FRP優(yōu)異的物理力學(xué)性能，在加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)中可以充分利用其高強(qiáng)度、高彈性模量的特點(diǎn)來提高混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和延性，改善其受力性能，達(dá)到高效加固修補(bǔ)的目的；（2）線膨脹系數(shù)與混凝土接近，保證了溫度變化時(shí)， FR與混凝土可以協(xié)同工作；（3）施工便捷、工效高、沒有濕作業(yè)，不需大型施工機(jī)具，施工占地少，施工效率高。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，粘貼FRP是粘貼鋼板施工工效的4倍～8倍。FRP輕質(zhì)柔軟，易貼附，與粘貼鋼板相比其施工質(zhì)量更易保證；（4）不增加構(gòu)件的自重和體積。FRP質(zhì)量輕且厚度很薄，經(jīng)加固修補(bǔ)后的構(gòu)件，基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重和尺寸，也就不會(huì)減少建筑物的使用空間；（5）具有很好的耐腐蝕性和耐久性能。試驗(yàn)表明：碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維具有良好的耐腐蝕性和耐久性，可以抵抗建筑物中經(jīng)常遇到的酸、堿、鹽等對(duì)結(jié)構(gòu)的腐蝕使用此材料加固后，不僅不需要對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)，而且其本身更可以對(duì)內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用；（6）適用面廣。可廣泛用于各種結(jié)構(gòu)類型（如建筑物、構(gòu)筑物、橋梁隧道、涵洞、煙囪等）、各種結(jié)構(gòu)形狀（如矩形、圓形、曲面結(jié)構(gòu)等）、各種結(jié)構(gòu)部位（如梁、板、節(jié)點(diǎn)、拱、殼、墩等）的加固修補(bǔ)，且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀，這是目前任何一種結(jié)構(gòu)加固方法都不可比擬的。

四、有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系

（一）作用原理

利用錨固于被加固梁體上的小直徑預(yù)應(yīng)力筋，對(duì)梁體施加預(yù)應(yīng)力，然后噴注具有較高抗拉強(qiáng)度的復(fù)合砂漿，將預(yù)應(yīng)力筋與被加固梁體粘結(jié)為一體，構(gòu)成有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系以其預(yù)應(yīng)力筋錨固簡(jiǎn)單、張拉施工方便、結(jié)構(gòu)耐久性好，材料利用效率高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)受到國(guó)內(nèi)外土木工程界的重視。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系特點(diǎn)適用于中、小跨徑鋼筋混凝土T梁、空心板梁、箱梁橋的加固，尤其是對(duì)高速公路及城市立交工程中，大量采用的中等跨徑的鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，由于受箱梁高度的限制，在箱內(nèi)布置體外預(yù)應(yīng)力筋有困難的情況下，采用在箱梁底板部增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋，然后噴注高性能抗拉復(fù)合砂漿的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系是理想的加固方案之一。

（二）技術(shù)特點(diǎn)

與體外預(yù)應(yīng)力加固體系相比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系的突出優(yōu)點(diǎn)是：（1）能最大限度的發(fā)揮后加補(bǔ)強(qiáng)材料的作用，提高材料的利用效率；（2）噴注的高性能抗拉復(fù)合砂漿保護(hù)層?？固蓟涂孤入x子侵蝕能力強(qiáng)，保護(hù)鋼筋免于銹蝕，提高結(jié)構(gòu)耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命；（3）靠小型錨具和高性能抗拉復(fù)合砂漿粘結(jié)的雙重作用錨固預(yù)應(yīng)力鋼筋，錨固工作更為安全可靠。

（三）發(fā)展前景

韓國(guó)M&S公司的SRAP工藝具有有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固特征，但所采用的AP砂漿和預(yù)應(yīng)力鍍鋅軟鋼絲全部從國(guó)外進(jìn)口，工程造價(jià)偏高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力受到一定的影響。為適應(yīng)橋梁加固市場(chǎng)的需求，國(guó)內(nèi)研究開發(fā)的高性能抗拉復(fù)合砂漿（簡(jiǎn)稱HTCM砂漿）已供市場(chǎng)，其抗拉強(qiáng)度、粘結(jié)性能及抗碳化、抗氯離子侵蝕能力均略高于AP砂漿、采用2股或3股鋼絞線、螺旋帶肋鋼絲及小直徑高強(qiáng)粗鋼筋等國(guó)產(chǎn)鋼材做預(yù)應(yīng)力筋的張拉、錨固系統(tǒng)的試驗(yàn)研究已取得階段性成果，為有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固在我省的推廣開辟了新的途徑。采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系，可以提高結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用年限20年～30年，由此帶來經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。