T型梁橋體外預應力加固技術(shù)初探

段凱敏，陳 暢，黃世濤

（長江工程職業(yè)技術(shù)學院，武漢 430212）

1 前 言

舊橋加固改造技術(shù)，是對正在使用的舊橋進行檢測、評價、維修、加固或改造等技術(shù)對策的總稱。在公路橋梁投入使用后，一般要定期對其性能和承載能力進行檢測，確保它的安全。目前主要是在兩個時期對橋梁進行檢測，一是在投入使用之后20～30年，這期間檢測的目的主要是測定橋體有無按設計要求工作，技術(shù)狀態(tài)如何？另一個是在投入使用后50～60年，這期間檢測的目的主要是對其使用狀態(tài)進行檢測，檢測其承載力如何？有無明顯缺陷？耐久性如何？是否需要加固？隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活水平的提高，機動車數(shù)量越來越多，重量也越來越大，對公路的承載要求也越來越高。而我國現(xiàn)有公路橋梁的普遍現(xiàn)狀是：年限久、標準低、橋面窄、破損嚴重，已明顯難以滿足現(xiàn)階段的交通運輸要求。如何恢復和提高其承載和通行能力顯得尤為重要，現(xiàn)階段主要是通過對其進行檢測、評價、維修、加固及技術(shù)改造來解決此問題。

2 橋梁結(jié)構(gòu)加固方法綜述

舊橋加固按加固部位不同分為上部結(jié)構(gòu)加固和基礎加固。其中，上部結(jié)構(gòu)加固常用的方法有：增大截面尺寸、粘貼法、加設輔件法、改變結(jié)構(gòu)和受力體系、體外預應力、套拱法。橋梁基礎結(jié)構(gòu)加固方法有：加樁法、預應力鋼筋或錨索加固法、擴大基礎法、套箍或護套法、輔助擋土墻法。對于上部結(jié)構(gòu)加固方法中，目前最常用的是粘貼法和體外預應力。粘貼法一般是用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠等高強、高粘聚性的高分子化合物將鋼板等抗拉強度高的材料粘貼在橋體受拉側(cè)，使其與橋體粘聚成整體，使二者共同受力，進而達到提高橋體抗彎、抗剪強度的目的，有效的控制了裂縫的開展。粘貼法施工靈活，空間占據(jù)小，施工工期短，周轉(zhuǎn)性材料用量少，不減小橋底凈空高度，施工過程中交通影響小，但加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平，適用于承受靜力作用且處于正常濕度環(huán)境中的受彎或受拉構(gòu)件的加固。體外預應力的通常做法是：在梁底或兩側(cè)等受拉明顯的部位設置粗鋼筋、高強鋼絲或鋼絞線，通過錨固，使得鋼絲或鋼絞線等預應力構(gòu)件與梁形成桁架結(jié)構(gòu)，以預加力產(chǎn)生的反彎矩抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，并且有一次的超靜定次數(shù)，穩(wěn)定性大幅提高（見圖1）。

圖1 預應力拉桿錨固形式示意圖

由體外預應力的定義不難看出，對橋梁（尤其是梁式橋）進行體外預應力加固處理后，已經(jīng)改變了其原來的受力情況。不同部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，受力體系也不同，以受彎為主的構(gòu)件（例如橋面），主要是通過在其受拉側(cè)施加預應力拉桿，利用拉桿提前受到的張拉力的回縮變形抵消受彎構(gòu)件受拉側(cè)的拉力來滿足承載力，這種方法被稱為“預應力拉桿加固法”。而對于承受壓力為主的構(gòu)件，無論是承受軸壓還是偏壓，往往是通過預應力撐桿（稱為預應力撐桿加固法），借助于撐桿的支撐力維持穩(wěn)定。

彎矩的產(chǎn)生是因為受荷引起的，在荷載的作用下會產(chǎn)生彎矩和剪力，彎矩單獨作用，還是彎矩和剪力共同作用，拉桿的布置形式是不同的，按照受力特點，可將預應力拉桿加固法分為：水平式拉桿、下?lián)问嚼瓧U和水平、下?lián)谓M合式拉桿。當結(jié)構(gòu)易發(fā)生正截面受彎破壞時，水平拉桿的約束作用最強，同時還能限制撓度和裂縫寬度的開展。若構(gòu)件既有正截面承載力不足，又有斜截面受剪破壞的趨勢，此時，水平拉桿的抗剪作用已不能滿足承載力需要，需要使用下?lián)问嚼瓧U，它能顯著提高構(gòu)件的剛度水平。在一些特殊情況下，還可以采用組合式拉桿，即將兩根水平拉桿、兩根下?lián)问嚼瓧U組合到一起，能夠起到優(yōu)勢互補的效果，尤其適合于正截面受彎承載力嚴重不足而斜截面受剪承載力略為不足的情況。

相對而言，下?lián)问嚼瓧U加固補強最為常用。它類似于拱式橋當中的上承式。其上弦為原結(jié)構(gòu)主梁，下弦是水平拉桿，腹桿是彎起的斜拉桿，斜桿必須要錨固穩(wěn)定且保證有一定的錨固深度。斜桿上端錨固位置一般有兩種：一種錨固于梁端的頂部，另一種則是錨固于靠近橫梁端部的梁肋頂部（如圖1所示）。圖中水平拉桿與斜桿均與主梁下部的滑塊相聯(lián)，水平拉桿因張拉后變形回縮使得滑塊向內(nèi)側(cè)移動，滑塊的相對移動又使得斜桿發(fā)生了張拉變形，整個體系就像一個“網(wǎng)兜”一樣，緊緊將橫梁兜在水平拉桿、斜桿和滑塊所形成的變形回縮的壓力體系中。這些力使得支座處承受負彎矩和負剪力，并形成超靜定結(jié)構(gòu)。行車時，車輛的荷載與橋梁的自重形成正向彎矩和剪力，剛好與體外預應力形成的體系方向相反，作用效果抵消。正向彎矩和剪力越大，張拉體系中各桿件拉力越大，回彈越明顯，越有利于梁體的安全。

體外預應力法的優(yōu)點是顯而易見的，例如與粘貼法相比，體外預應力不用對混凝土表面進行鑿毛處理，避免因鑿毛處理時對橋體的二次損傷，且影響范圍小。其缺點是：施加預應力時，預應力大小要控制得當，否則易將鋼筋拉斷；由于混凝土會發(fā)生徐變，易造成預應力損失；由于鋼筋處于大氣環(huán)境中，容易受到環(huán)境溫度、濕度的影響，降低其耐久性。當橋跨較大時，預應力效果也會大打折扣。因此，體外預應力一般適用于跨度較小的梁式橋，對于跨度較大的橋梁，適宜將體外預應力與其他方法搭配使用。

3 體外預應力混凝土結(jié)構(gòu)加固體系研究

從國內(nèi)采用體外索體系加固的橋梁實例來看，主要有以下5種構(gòu)造形式（見圖2所示）。

按受力筋是否為整體將體外索加固體系分為三大類：第一類是水平方向鋼筋與彎起鋼筋由兩根獨立的鋼筋組成，彎起鋼筋與水平鋼筋在梁底部均與滑塊相連，通過滑塊的位置來控制張拉應力大小，或不改變滑塊的位置，張拉彎起鋼筋來提高水平鋼筋的張力，彎起鋼筋另一端可以錨固于梁頂（如圖2a），也可置于梁腹板頂部（如圖2 b）。第二類是水平方向鋼筋與彎起鋼筋由一根完整的鋼筋（一般由高強鋼絲、鋼絞線）組成，可以在梁底部位置張拉水平向鋼筋 （如圖2c），也可在梁頂部位置張拉彎起鋼筋 （如圖2d）。第三類是型鋼和普通金屬制品共同使用，彎起部分使用槽鋼，將其固定在梁端楔形滑塊上，水平筋則采用粗鋼筋、鋼絲繩、鋼絞線或高強鋼絲束，采用張拉水平筋的方式施加預應力（如圖2e）。

圖2 常用的體外索加固體系

4 二次效應的產(chǎn)生

體外預應力結(jié)構(gòu)體系和體內(nèi)無粘結(jié)預應力雖然都屬于無粘結(jié)預應力，但有著本質(zhì)上的區(qū)別。體內(nèi)無粘結(jié)預應力是將整根預應力筋置于提前預留好的孔道內(nèi)，鋼筋被混凝土包裹在內(nèi)部，雖然受力變形時各截面預應力鋼筋與混凝土也存在變形不一致的情況，但總體相對位置不變，且不因撓度變形而變化。而體外預應力則是預應力鋼筋全部置于結(jié)構(gòu)體外，鋼筋僅在梁端和彎起處與錨塊相連，所以，受力時，只有錨固處因變形受限而未發(fā)生相對位置改變，其他位置預應力鋼筋因沒有約束，在變形時預應力筋與截面形心的距離越來越小，即產(chǎn)生了二次效應。二次效應的產(chǎn)生使得結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和承載能力都發(fā)生了改變。

實驗結(jié)果表明：二次效應使結(jié)構(gòu)承載力有所降低，要想控制二次效應的影響，必須知道產(chǎn)生二次效應的原因和影響因素。經(jīng)分析，影響因素主要有梁的高跨比（決定了構(gòu)件的剛度和變形）、預應力鋼筋的位置（決定了偏心距的大小，從而決定二次效應的影響程度）、滑塊的位置與數(shù)量（決定了構(gòu)件的跨度和彎矩大?。?、預應力施荷大小（影響鋼筋張拉松緊度，從而影響預應力效果）、混凝土的徐變等。

5 結(jié) 語

綜上所述，對舊橋施加體外預應力產(chǎn)生的二次效應使得體外預應力梁的承載力低于體內(nèi)無粘結(jié)預應力梁，梁的高跨比越大，二者的差異也越大，而我國大多數(shù)橋梁普遍具有較大高跨比的特點，無疑給工程安全帶來了隱患，怎樣建立一套切實有效的理論方法和實用措施、手段來減小因二次效應帶來的體外預應力損失是今后很長一段時間我們應該努力的方向。