摘要:文中闡述了體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的歷史、發(fā)展?fàn)顩r;系統(tǒng)地論述了體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征、耐久性、橋梁結(jié)構(gòu)加固及應(yīng)用前景,詳細(xì)介紹了梁體的體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞:體外預(yù)應(yīng)力,橋梁加固,應(yīng)用

　　體外預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)早在1934 年即由德國(guó)工程師迪辛格爾取得了德國(guó)專利,于1937 年建成的世界第一座預(yù)應(yīng)力混凝土橋就屬于體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。由于當(dāng)時(shí)體外索的防腐問題尚未解決,故該項(xiàng)技術(shù)沒有得到推廣。自20 個(gè)世紀(jì)80年代以來,隨著鋼筋防腐措施的改進(jìn),體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)無論是在新建還是在加固工程中,均得到了廣泛地應(yīng)用,已成為后張預(yù)應(yīng)力體系的重要分支之一。

　　我國(guó)正處于道路與城市建設(shè)的高峰期,體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)具有極大的針對(duì)性, 尤其在橋梁建設(shè)中有著巨大地應(yīng)用前景。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)由于具有施工方便、經(jīng)濟(jì)可靠,預(yù)應(yīng)力筋可以單獨(dú)防腐甚至可以更換等特點(diǎn),近年來,體外預(yù)應(yīng)力梁已被廣泛應(yīng)用于舊橋的加固工程中。眾多的工程實(shí)踐證明,利用體外預(yù)應(yīng)力加固舊橋能顯著提高結(jié)構(gòu)承載力和抗裂度,有效改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀

　　1 體外預(yù)應(yīng)力的概念與體系

　　體外預(yù)應(yīng)力是指對(duì)布置于承載橋梁結(jié)構(gòu)本體之外的鋼束張拉而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。設(shè)計(jì)時(shí)僅把鋼束錨固區(qū)域設(shè)置在橋梁結(jié)構(gòu)本體內(nèi)，轉(zhuǎn)向塊可設(shè)在橋梁結(jié)構(gòu)體內(nèi)或體外。

　　體外預(yù)應(yīng)力體系由體外預(yù)應(yīng)力管道(高密度聚乙烯管HDPE或鋼管等)、漿體(防腐油脂或水泥漿體)、錨固體系和轉(zhuǎn)向塊等部件組成。體外預(yù)應(yīng)力體系分為有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系和無粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系是將鋼鉸線穿入孔道內(nèi)張拉后，向孔道管內(nèi)灌入水泥漿。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的體外預(yù)應(yīng)力筋由若干單根無粘結(jié)筋組成，將單根無粘結(jié)筋平行穿入管內(nèi)，張拉之前，先完成灌漿工藝，由水泥漿體將單根無粘結(jié)筋定位，張拉后不灌入水泥漿。

　　2 體外預(yù)應(yīng)力加固的組成構(gòu)造特點(diǎn)

　　2.1 組成構(gòu)造特點(diǎn)

　　橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固體系的形式是多種多樣的。從構(gòu)造形式上看，該體系主要由以下幾部分組成：水平筋、斜筋、上錨固點(diǎn)、滑塊、U形承托、水平筋固定支座。

　　(1) 體外預(yù)應(yīng)力索、管道和灌漿材料

　　體外預(yù)應(yīng)力體系采用的預(yù)應(yīng)力索一般由鋼鉸線組成，包括與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)完全相同的普通鋼鉸線以及鍍鋅鋼鉸線或外表涂層和外包PE防護(hù)的單根無粘結(jié)鋼鉸線。體外預(yù)應(yīng)力索管道主要起防腐作用，它通常有兩種形式：一是全部采用鋼管道，二是鋼管與高密度聚乙烯管道相結(jié)合的方式，即除在錨固段及轉(zhuǎn)向彎曲段采用鋼管外在其它直線段均采用高密度聚乙烯管道。

　　體外預(yù)應(yīng)力索管道的灌漿材料可分為剛性灌漿材料和非剛性灌漿材料。剛性灌漿材料通常指水泥非剛性灌漿材料(如油脂和石蠟)。水泥灌漿是最簡(jiǎn)單和常用的，它可以適用于與結(jié)構(gòu)有離散粘結(jié)的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，也適用于與結(jié)構(gòu)完全無粘結(jié)的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。而油脂和石蠟通常用在由普通鋼鉸線和鋼管道組成的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)中，以達(dá)到鋼索與結(jié)構(gòu)無粘結(jié)的目的。

　　(2) 體外預(yù)應(yīng)力索的錨固系統(tǒng)

　　體外預(yù)應(yīng)力索的錨固體系一般可分為可更換和不可更換兩大類。在可更換的體外預(yù)應(yīng)力錨具中又包括鋼索無法放松和可放松兩種類型。使用無法放松的鋼索可以是普通的鋼鉸線也可以是單根無粘結(jié)鋼鉸線。使用普通鋼鉸線時(shí)在管道中灌注非剛性灌漿材料(油脂或石蠟)，使用無粘結(jié)鋼鉸線時(shí)管道中一般灌注水泥漿。但兩種類型的錨具中均使用防腐材料填密而不使用水泥漿以滿足鋼索可更換的要求?？煞潘傻念愋驮阱^具后需預(yù)留一定長(zhǎng)度的鋼索以滿足鋼索放松的需要，這種錨具的體外預(yù)應(yīng)力索只能是無粘結(jié)鋼索。

　　(3) 體外預(yù)應(yīng)力索的轉(zhuǎn)向裝置

　　體外預(yù)應(yīng)力索的轉(zhuǎn)向裝置是體外預(yù)應(yīng)力索在跨內(nèi)唯一與混凝土體有聯(lián)系的構(gòu)件，起體外預(yù)應(yīng)力索轉(zhuǎn)向的重要作用。圖1～圖4是體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的轉(zhuǎn)向裝置。

　　圖1為塊狀式轉(zhuǎn)向構(gòu)造，只能承受鋼索的豎向分力，大量應(yīng)用于跨徑較小、采用階段施工的體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。圖2為底橫肋式轉(zhuǎn)向構(gòu)造，能承受體外預(yù)應(yīng)力索產(chǎn)生的橫向水平分力。轉(zhuǎn)向構(gòu)造的混凝土在箱梁底板上是貫通的，這種構(gòu)造常用于斜、彎的體外預(yù)應(yīng)力 結(jié)構(gòu)。圖3為能承受較大鋼索分力的橫豎肋式轉(zhuǎn)向構(gòu)造，豎橫肋把鋼索的轉(zhuǎn)向力傳至箱梁腹板和上梗腋。由于箱梁采用斜腹板，橫肋在底板用另一根橫梁貫通以承受轉(zhuǎn)向構(gòu)造產(chǎn)生的水平分力。若豎向和橫向的橫肋全部加寬，這樣的轉(zhuǎn)向構(gòu)造就成為轉(zhuǎn)向橫梁，常用于鋼索轉(zhuǎn)向力特別大的結(jié)構(gòu)中。圖4為由較輕的鋼構(gòu)件組成轉(zhuǎn)向鞍座的鋼鞍座式轉(zhuǎn)向構(gòu)造，鋼板用于傳力和定位，斜桿和水平桿的合力用于抵消體外鋼索在轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的豎直及水平分力。這種輕型鋼鞍座轉(zhuǎn)向構(gòu)造使用靈活、方便也可用于加固結(jié)構(gòu)中。由于轉(zhuǎn)向鋼管要承受鋼索所產(chǎn)生的向上彎折力，一般需要壁厚較大的鋼管。

　　3 常見的體外預(yù)應(yīng)力加固方法及施工工藝

　　采用體外預(yù)應(yīng)力對(duì)梁式橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，其作法是在梁體下緣受拉區(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(duì)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，從而提高了結(jié)構(gòu)承載力。

　　3.1 下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力拉桿(粗鋼筋)加固法

　　當(dāng)橋下凈空許可時(shí)，可采用在梁下設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉桿(粗鋼筋)體系進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，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(diǎn)的位置和調(diào)整拉桿中的拉力以滿足承載力的要求。

　　(1) 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縮收緊而使拉桿受力，從而在梁體中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。

　　(2) 縱向張拉法

　　當(dāng)采用縱向張拉法補(bǔ)強(qiáng)加固時(shí)，拉桿鋼筋沿梁底部布置，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)，對(duì)拉桿鋼筋施加預(yù)應(yīng)力可以用旋緊螺帽，端部用張拉千斤頂張拉，拉桿中間設(shè)置法蘭螺絲收緊扣及電熱張拉等手段完成。

　　(3) 組合式預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)拉桿加固法

　　這是既布置水平補(bǔ)強(qiáng)拉桿，也布置有下?lián)问窖a(bǔ)強(qiáng)拉桿的組合式體外預(yù)應(yīng)力加固方法。

　　(4) 豎向頂撐張拉法

　　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(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)力值后，用鋼筋混凝土墊塊在拉桿與梁底面楔緊，以固定拉桿位置并保持張拉力，卸除張緊夾具和承托架并做好拉桿的防銹處理。

　　3.2 體外預(yù)應(yīng)力鋼絲束加固法

　　一般沿梁肋側(cè)面按某種曲線(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(gè)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。為防止鋼絲束銹蝕，預(yù)應(yīng)力鋼絲束應(yīng)放在保護(hù)導(dǎo)管內(nèi)或張拉后在鋼絲束周圍用混凝土包裹。

　　4　設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟和方法

　　(1) 體外預(yù)應(yīng)力加固體系的力學(xué)分析

　　用力法求解體外預(yù)應(yīng)力加固體系內(nèi)力時(shí),以活載引起的水平鋼筋拉力增量為變量,切斷水平筋而得到基本結(jié)構(gòu),計(jì)算得到水平鋼筋承擔(dān)的力之后,可進(jìn)行體外索的配置,由水平鋼筋的張力估算出預(yù)應(yīng)力筋的用量,最后校核計(jì)算結(jié)果。

　　(2) 求解加固體系的預(yù)應(yīng)力損失

　　預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算主要包括:摩阻力引起的預(yù)應(yīng)力損失; 錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失; 溫差引起的預(yù)應(yīng)力;分批張拉由于混凝土彈性收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失; 鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失;混凝土收縮與徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失。

　　(2) 加固體系正常使用階段驗(yàn)算

　　鋼筋應(yīng)力驗(yàn)算:根據(jù)應(yīng)力控制條件來判斷是否滿足要求; 裂縫驗(yàn)算: 采用直接控制裂縫寬度的方式計(jì)算,求最大裂縫寬度; 撓度驗(yàn)算: 根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 - 2004) ,控制活載撓度為f k = f a + f Xp ≤LP600 。

　　5　工程實(shí)例

　　某橋梁主梁跨徑為19. 2 m ,原設(shè)計(jì)荷載為汽- 15 ,目前梁體部分混凝土開始脫落,出現(xiàn)了縱向貫通裂縫,鋼筋也開始銹蝕。為了不影響正常的交通,擬采用體外預(yù)應(yīng)力來加固,加固后的荷載等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為汽- 20 。

　　梁體為C25 混凝土, f c = 2. 85 ×104 NPmm2 。主梁截面尺寸見圖2 。

　　跨中截面主筋面積為Ag = 68. 37 cm2 ,梁自重及恒載在跨中截面引起的彎矩為Mg = 1256. 69kN·m ,提高荷載等級(jí)后汽車活載在跨中截面產(chǎn)生的彎矩為Mg = 1200 kN·m。

　　加固體系擬采用鋼鉸線,水平鋼筋為同鋼絞線束,單根鋼鉸線的截面面積為Ap1 = 139 mm2 ,

　　抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為Aptk = 1 860 MPa ,張拉控制應(yīng)力取σcon = 0. 55f ptk = 1 023 MPa 。

　　(1) 計(jì)算主梁截面幾何性質(zhì),跨中截面對(duì)下邊緣的抵抗矩

　　Wσx = 6. 86 ×107 (mm3 )

　　(2) 計(jì)算活載引起的水平預(yù)應(yīng)力筋增量

　　Xp = (1. 02 ×10 - 3 ) ×Ay (N)/10. 54 ×10 – 11

　　(3) 體外預(yù)應(yīng)力加固體系在加固時(shí)鋼筋的總預(yù)應(yīng)力損失為

　　σs=σs1 +σs2 +σs3 +σs5 = 59. 87 (MPa)

　　(4) 體外索配筋計(jì)算

　　求解結(jié)果為Ay = 1 165 mm2 ;所需預(yù)應(yīng)力鋼鉸線的根數(shù)為8. 4 ,取9 根。采用3 束3 Φj15. 2 預(yù)應(yīng)力鋼筋束,Ay = 1 251 mm2 。

　　(5) 計(jì)算預(yù)應(yīng)力水平鋼筋拉力增量

　　采用力法計(jì)算可得Xp = 12. 1 kN ,當(dāng)采用簡(jiǎn)化公式來計(jì)算拉力增量時(shí), 計(jì)算結(jié)果為Xp =11. 9 kN。兩者相差很小,故用簡(jiǎn)化公式來計(jì)算也可以滿足要求。

　　(6) 加固體系正常使用階段驗(yàn)算

　　鋼筋應(yīng)力驗(yàn)算

　　σy = 972. 8 MPa < f = 1 209 MPa ,故滿足控制應(yīng)力要求。

　　裂縫驗(yàn)算

　　δfmax = 0. 01 mm < f = 0. 1 mm ,裂縫最大值滿足要求。

　　加固體系的撓度驗(yàn)算

　　f k = 26. 03 ≤LP600 = 32. 5 mm ,故加固體系的撓度滿足要求。

　　綜上所述,對(duì)該梁橋進(jìn)行的體外預(yù)應(yīng)力加固經(jīng)過各種驗(yàn)算均能滿足要求,經(jīng)加固后該橋可以達(dá)到設(shè)計(jì)的荷載標(biāo)準(zhǔn)。