浅谈体外预应力技术在桥梁加固中应用

[摘 要]自体外预应力技术产生并应用于桥梁加固以来，现已逐渐成为对既有桥梁上部结构进行加固的一个重要的方法，文章简要介绍了它的优缺点，并阐述了这种方法在应用中的发展。

[关键词]体外预应力技术；桥梁加固；应用

中图分类号：U445.57 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2014）08-0113-02

对既有桥梁的加固是桥梁建设可持续发展的重要举措，有资料表明对旧桥加固所需的费用约为新建桥梁的10%～30%，这就为旧桥加固的经济性和实用性提供了可行性的保障。运用体外预应力技术对既有桥梁上部结构进行加固作为众多加固方法的一种，虽然起步较晚，但由于其显著的优势而脱颖而出，成为很多加固设计的首选方法。

1.体外预应力技术及其加固

1.1体外预应力技术

体外预应力的概念和方法最早产生于法国，1979年，E.C. Figg和JeanMuller首次在美国佛罗里达建造了第一座体外预应力混凝土桥LongKey桥。体外预应力是指对布置于承载结构本体之外的钢束张拉而产生的预应力。体外预应力技术是后张预应力体系的分支，是无粘结预应力结构技术的一种。体外预应力经过20余年的发展和工程应用，目前已形成有粘结体外预应力和无粘结体外预应力两种应用体系，有粘结体系的管道的铺面质量及其水密性容易检查和控制，预应力摩阻损失小；无粘结体系的单根无粘结筋的摩阻损失极小，可采用单根张拉工艺，张拉设备体积小，容易操作；预应力筋有多层防护，因此，其耐腐蚀性和防护性安全可靠；另外，在使用期间可重调预应力值，更换预应力筋。

优点：

（1）能够调校和控制体外索的应力，便于检查腐蚀情况保证在必要时能够替换钢绞线束。

（2）在箱梁的壁内不存在预应力管道，使得混凝土容易浇筑，不会因为预留孔的存在而减低承压能力，因此能尽可能地减小箱梁壁厚，减轻结构自重。

（3）对于某类型的结构，如预制箱梁结构，使用体外索可以简化及加速桥梁的建设速度，降低建造成本。

（4）简化了曲线预应力筋，减少了摩阻损失。

适用范围：体外预应力结构的适用范围非常广泛，既可用于预应力混凝土桥梁、特种结构和建筑工程结构等新建结构、既有的钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的重建、加固和维修，也可用于结构中无法放置预应力筋的结构，还可以用于临时预应力混凝土结构或施工临时性钢索。

1.2体外预应力加固

对既有建筑上部结构的加固，一般都不得不在原结构砼的外部进行，这就使体外预应力技术成为一种主要的也是最积极的加固方法。体外预应力索加固法就是应用体外预应力索通过后加在原结构上的锚固块和转向装置，并张拉体外索使原结构产生后加预应力的方法。

优点：

可平衡卸掉部分恒载。

（2）能够较大幅度地提高结构的承载能力和结构刚度。

（3）体外索变化幅度小，无疲劳问题。

（4）能够有效的控制原结构的裂缝和挠度，使裂缝部分或全部闭合，使挠度大幅度减小。

（5）能够控制和调校体外索的应力。

（6）便于更换体外力筋。

缺点：锚固块和转向装置有时不便于设置；转向装置处设计不当会造成大量的预应力损失，并导致施工复杂；结构外露面不平整；需注意体外索的防火和防腐等耐久性问题。

2.体外预应力技术在桥梁上部结构加固中的应用

体外预应力加固技术在桥梁上部结构加固中的应用也在近十年内逐渐兴起的，就目前国内外在体外索加固的成果来看，研究的重点主要是放在了简支的、截面形式为矩形或T形的桥梁加固上，对于现在应用日益广泛的箱形截面、连续的公路桥梁研究成果却很少。

2.1转向装置

转向装置是实现体外索加固的重要构件，其传载方式和自身性能也是影响预应力施加效果的关键。转向装置的设计要求：

（1）预应力筋在转向点的位置必须高度准确，避免产生附加应力。

（2）转向装置在结构使用期内也不应对预应力索有任何的损害。

转向装置的结构形式可以用：

（1）钢板、钢管等材料的组合构成。

（2）后加钢筋砼转向块。

对于矩形和T梁，用形式（1）是合理、经济的，但对于箱梁则应该采用形式（2）。

转向装置的传载模式根据其作用形式的不同有两种形式：一是承压型，主要以压力形式将体外索的荷载传给原结构，一般用于矩形、T梁和箱梁的横向加固；二是剪切型，主要以剪力形式将体外索的荷载传给原结构，一般用于箱梁纵向加固。

目前国内外采用了两种方式研究剪切型转向装置的传载方式及自身传载性能。第一：模型试验。模型试验的成本高。第二：模拟分析。

2.2锚固块与原结构连接处的受力情况及分析

对于矩形截面和薄腹T梁的锚固块，普遍做法就是在需要锚固的地方凿洞，用钢管、钢轴等作为锚固块，这是非常简便，也是行之有效的方法，这种锚固块的受力分析也很简单，其重点是钢管、钢轴自身的强度及其与原结构砼处的局压应力分析。一般用于加固荷载较小的结构。

对于箱梁，由于其横截面和荷载均较大，再采用矩形和T梁的处理方法显然是不合适宜的，这就必须采用新加砼锚固块的方法来处理。这种锚固块的受力机理与传载方式就与剪切型转向装置类似，这里不再赘述。

2.3加固效果

加固效果是评定加固方法好坏、成功与否的重要指标。对桥梁在使用体外预应力进行加固后其横截面的正常使用极限状态和承载能力极限状态抗弯承载能力的计算方法，国内外一些学者也做过一些研究，也总结出了一些比较适用的方法。但是对箱梁在横向加固情况下的受力分析和整体加固效果研究并不多，应该建立箱梁的整体模型，采用极限分析的方法来实现预应力索加固体系的整体研究，从而分析桥梁的加固效果。

对于抗弯能力的提高，体外索有着很大的优势，也可以比较便利地从力学的角度分析出来。但是对于抗剪能力的提高，这种加固方法似乎没有那么方便。从结构分析的角度，当不考虑原结构能够承担的剪力，可以分析出：结构受到预应力后可以延迟截面砼的开裂，增加砼对钢筋的握裹力，增强纵筋的销栓作用，抵消部分斜截面的剪应力，从而提高截面的抗剪承载能力。

2.4施工工艺

合理的施工工艺是实现设计的基础和保证。如前所述，体外索预应力的准确保持以及体外索不因转向而老化、损伤是体外预应力体系对结构加固的关键；加之体外预应力体系对结构的加固从准确、牢固地安好锚固块锚板，到转向装置的正确施工，以及预应力索的张拉等过程都对施工工艺要求较高。建立一套合理的预应力加载与锁定方式以及检测与评价标准，以实现设计的初衷，达到经济、合理的设计要求也是一个重要的环节。

3.体外预应力在桥梁工程中的应用前景

体外预应力技术在20余年的发展和应用中已日臻成熟，体外预应力加固方法在矩形和T形梁中应用的机理和措施也逐渐完备。尽管体外预应力结构的钢束用量比体内预应力的要多，但由于它大幅度地减薄了占恒载较大比重的箱梁腹板尺寸，减少了混凝土的用量，节省了下部结构的工程量；更重要的是采用此方法，施工速度、管理费用以及成桥后的维护、更换费用能真正反映其经济性，最大限度地发挥了其节段施工的优点，因此，体外预应力技术已成为新建桥梁的重要形式。

我国地域广阔，地形复杂，是世界上建筑桥梁较早的国家，建桥的历史也很悠久，拥有桥梁的数量也很多。在全国20余万座公路桥梁中，早在2000年时就被鉴定为危桥的就达到4 000多座，这就使得桥梁加固显得紧迫而重要。由于体外预应力加固技术的众多优点而成为很多加固设计的首选，加之该技术的应用密切结合着新材料、新工艺的发展方向，其运用正方兴未艾，具有非常广阔的应用前景。

参考文献

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作者简介：任雅露（1992.6-），女，汉族，陕西西安市人，长安大学公路学院2011级桥梁专业本科生。