體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在既有橋梁加固中的應(yīng)用

羅邦岳　解林興

摘要：在橋梁存續(xù)期間內(nèi)，由于車輛，特別是超重車輛行駛，以及外界各種因素作用和影響，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害、出現(xiàn)缺陷，嚴重影響到橋梁正常使用。將有害橋梁全部重建的思想既不現(xiàn)實，也不科學(xué)。因此，有計劃、有步驟的加強對現(xiàn)有橋梁的調(diào)查研究，分析破損原因，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施，對現(xiàn)有舊橋進行加固、改造和維修，以使其滿足新時期公路交通運輸?shù)男枰皇槎嗫旌檬〉亟ㄔO(shè)方法，對我國公路建設(shè)具有重要的經(jīng)濟意義和社會效益。

關(guān)鍵詞：體外預(yù)應(yīng)力；橋梁加固

1 體外預(yù)應(yīng)力橋梁加固的機理

通過在梁體外布設(shè)鋼材的拉桿或撐桿，并與被加固的梁體錨固聯(lián)結(jié)，然后施加預(yù)應(yīng)力，強迫后加的拉桿或撐桿受力，從而改變原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，并降低原結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，使結(jié)構(gòu)總承載力顯著提高。其可以減少結(jié)構(gòu)的變形、裂縫寬度縮小甚至完全閉合。這就是體外預(yù)應(yīng)力加固梁式橋梁，并能提高其承載力的機理。

體外預(yù)應(yīng)力下?lián)问嚼瓧U加固補強方法是最常用的一種它可視為簡支梁為上承析架梁。析架的上弦即為原結(jié)構(gòu)主梁，下弦是新增設(shè)的水平拉桿，腹桿是新增的斜拉桿，把與梁體接觸的墊塊視為豎桿，單墊塊為單柱式，雙墊塊為雙柱式。斜桿的上端錨固位置有兩種:一種錨于梁端的頂部;另一種錨固于靠近端橫梁處的梁肋頂部。斜桿的下端與滑塊聯(lián)連結(jié)，滑塊依賴拉桿收緊后產(chǎn)生的上托力和滑移時的摩擦力與上弦連結(jié)。對斜桿的張拉不是直接施加，而是隨著水平拉桿張拉力增加，下端滑塊產(chǎn)生相應(yīng)的移動，使它的長度增大。當(dāng)水平拉桿張拉力達到設(shè)計量后，將它的兩端錨固，加固工作即完成。在斜桿頂端和梁底墊塊上作用的水平分力共同對梁體施加偏心軸向壓力。

2 體外預(yù)應(yīng)力作為橋梁加固手段的特點

體外預(yù)應(yīng)力加固法和梁底增焊(或粘貼)鋼筋(或鋼板)的加固方法相比，不需要清鑿混凝土保護層，并且損傷梁體程度比較小，加固時不影響或少影響交通。能夠較大幅度的提高舊橋的承載能力，能夠恢復(fù)橋梁或提高橋梁的荷載等級，經(jīng)濟效果比較明顯。但對于梁體外的預(yù)應(yīng)力鋼筋和有關(guān)構(gòu)件，應(yīng)采取切實有效的防護措施，否則在溫度、腐蝕等外界條件的作用下，容易造成預(yù)應(yīng)力筋斷裂，從而使加固工作失敗。

3 體外預(yù)應(yīng)力加固法設(shè)計與計算

采用體外預(yù)應(yīng)力拉桿補強加固梁式橋梁，應(yīng)事先進行必要的設(shè)計與計算。由于加固后預(yù)應(yīng)力拉桿與舊橋的鋼筋混凝土梁或板等構(gòu)件將組成一個整體并共同受力工作。因此，補強拉桿與被補強的梁板組成了一個新的復(fù)合體系，這樣就改變了結(jié)構(gòu)原來的靜力圖形，并且提高了它的承載能力。

3.1 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

①當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力拉桿加固鋼筋混凝土梁式橋時，加固結(jié)構(gòu)的性能和受力特征，與后張法無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相似。張拉預(yù)應(yīng)力如同外力一樣作用在原梁上，原梁仍承受著恒載內(nèi)力;張拉預(yù)應(yīng)力筋在原梁上產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力內(nèi)力，基本上與恒載內(nèi)力相反，所以，體外預(yù)應(yīng)力實際起到卸荷作用。

②體外預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)束后，和原梁體的聯(lián)結(jié)方式與程度對設(shè)計和計算梁體的承載力是很重要的。如果預(yù)應(yīng)力筋僅僅在錨固點與原梁相接觸，其余均裸露在梁外工作，當(dāng)梁隨外載的作用增加而發(fā)生撓曲時，梁中原有鋼筋亦隨著原梁曲率的增加而伸長。但由于預(yù)應(yīng)力筋載體外，它中間部位是與梁體脫開的，故沒有發(fā)生彎曲，仍然是直的，自然其應(yīng)變及應(yīng)力的增加遠不及梁中原鋼筋快。破壞時，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力可能達不到屈服強度。應(yīng)力可能在張拉控制應(yīng)力和屈服強度之間。一般考慮，梁體破壞時，預(yù)應(yīng)力拉桿的應(yīng)力取為張拉控制應(yīng)力。

如果在預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)束后，若將其用錨噴混凝土和梁體澆筑在一起，形成了整體梁，則由于預(yù)應(yīng)力筋處處被粘結(jié)在原梁上，可與之共同變形。所以，當(dāng)隨著作用在加固梁上的外荷載增加，預(yù)應(yīng)力筋和梁中原鋼筋以及受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力都在原有的基礎(chǔ)上增大。若預(yù)應(yīng)力筋和原配筋總和在適筋范圍內(nèi)時，盡管預(yù)應(yīng)力筋與原梁中鋼筋不同時刻到達屈服點，但破環(huán)時，兩者都可達到屈服，因而其正截面強度計算方法與一般預(yù)應(yīng)力混凝土梁相似。

③一般來說，需加固的梁中受拉鋼筋的應(yīng)力已較高，梁的撓度也較大，裂縫也較寬，因而對加固拉桿施加的預(yù)應(yīng)力值越高，越能改善被加固梁的受力狀態(tài)，故加固拉桿張拉控制應(yīng)力宜定得高些。但也不能定得太高，否則有可能在超拉過程中，個別鋼筋達到或超過其實際屈服強度，以致發(fā)生危險。

④預(yù)應(yīng)力加固與一般預(yù)應(yīng)力混凝土梁一樣，也存在預(yù)應(yīng)力損失，但兩者是有區(qū)別的，加固設(shè)計時要充分考慮到。同時，必須考慮預(yù)留構(gòu)造措施，以便在使用過程中及時調(diào)整加固件的工作應(yīng)力數(shù)值。

⑤由于加固施工一般均在現(xiàn)場進行，又是高空作業(yè)，按控制應(yīng)力值對拉桿張拉多為不便，且不準確。故多采用拉桿的張拉伸長量來控制張拉應(yīng)力。所以，要求張拉伸長量計算要準確。

3.2 體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計計算步驟與方法

①計算求出被補強構(gòu)件提高荷載等級前所受荷載及其引起的內(nèi)力，包括恒載和活載內(nèi)力。方法與通常橋梁設(shè)計時內(nèi)力計算相同。

②計算提高荷載標(biāo)準后的活載內(nèi)力，并由恒載于活載的組合來驗算加固的必要性。

③由上面兩項之差得出內(nèi)力的提高值(即需補強加固的抵抗力矩及剪力等)，估算出補強拉桿應(yīng)有的橫截面面積。

④計算和確定拉桿所必需的張拉力與伸長量。由于張拉預(yù)應(yīng)力拉桿達到一定應(yīng)力后，外荷載有所增大，在由拉桿和被加固橋梁組成的超靜定結(jié)構(gòu)體系中，拉桿產(chǎn)生的作用效應(yīng)增量，可按結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進行分析，幾種荷載的綜合效應(yīng)等于各種荷載分別作用時的效應(yīng)迭加。

⑤承載力驗算。按設(shè)計規(guī)范驗算被加固梁在跨中和支座截面的偏心受壓承載力，以及支座至拉桿彎折處或支座附近的斜截面承載力。驗算中將拉桿的作用效應(yīng)作為外力，并與全部荷載作用下作偏心受壓分析。若驗算結(jié)果不能滿足規(guī)范規(guī)定時，可加大拉桿截面或改用其它加固方案。

⑥計算確定施工中控制張拉時需要的控制量。

4 常用的體外預(yù)應(yīng)力加固方法

采用體外預(yù)應(yīng)力對梁式橋上部結(jié)構(gòu)進行補強加固，其作法是在梁的下緣受拉區(qū)設(shè)置用粗鋼筋形成的預(yù)應(yīng)力拉桿或預(yù)應(yīng)力鋼束，通過張拉對梁體產(chǎn)生偏心的預(yù)應(yīng)力，在此偏心壓力作用下梁體上拱，荷載撓度減小，改善了結(jié)構(gòu)的受力，從而提高承載能力。

4.1 下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力拉桿(粗鋼筋)加固法

當(dāng)橋下凈空條件許可，可以采用在梁下設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉桿(粗鋼筋)體系進行補強。有時也可將粗鋼筋錨固在從梁端數(shù)起的第二道橫隔板上。改變支撐點的位置和調(diào)整拉桿中的拉力以滿足承載力的要求。

橫向收緊張拉法。作為拉桿的粗鋼筋分兩層布置在梁肋底面兩側(cè)，在靠近梁端適當(dāng)位置上彎起，與固定在梁端的鋼制U形錨固板焊接。粗鋼筋彎起處用短鋼筋支撐，縱向每隔一定間距設(shè)一道撐棍和鎖緊螺栓。通過收緊器將拉桿橫向收緊而使拉桿受力，從而在梁體產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。

縱向張拉法。當(dāng)采用縱向張拉法補強加固時，拉桿鋼筋仍沿梁底部布置，兩端向上彎起，它與橫向收緊張拉法不同之處在于:拉桿兩端彎起段通常都穿過翼緣板上的斜孔伸至橋面，拉桿端部設(shè)有絲扣，用軋絲錨錨固于梁頂?shù)腻^固槽內(nèi)。

豎向頂撐張拉法。采用豎向頂撐張拉法是在梁端底部設(shè)置U形鋼錨固板，沿梁底設(shè)置拉桿，拉桿兩端焊在鋼錨固板上，在梁的1/4跨徑及跨中(或跨間橫隔板)位置設(shè)置張緊夾具，張緊夾具安裝在固定于梁腹或橫隔板上的承托架上給拉桿施加預(yù)應(yīng)力，當(dāng)拉桿達到設(shè)計應(yīng)力值后，用鋼筋混凝土墊塊在拉桿與梁底面間楔緊，以固定拉桿位置并保持張拉力，作后卸除張緊夾具和承托架并做好拉桿的防銹處理。

4.2 體外預(yù)應(yīng)力鋼絲束加固法

采用體外預(yù)應(yīng)力鋼絲束加固梁式上部結(jié)構(gòu)，一般沿梁肋側(cè)面按某種曲線(常用的有拋物線等)線形設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絲束。為保持曲線線形并固定鋼束位置，在梁底每隔一定間距(50-100cm)設(shè)置一個定位箍圈(有梁底向上兜)，或者在梁肋側(cè)面埋設(shè)定位銷。鋼絲束的兩端頭則穿過梁端翼緣板上的斜孔伸至梁頂錨固。為了防止鋼絲束的銹蝕，預(yù)應(yīng)力鋼絲束應(yīng)放在保護導(dǎo)管內(nèi)，或者張拉后在鋼絲束周圍用混凝土包裹。

參考文獻

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