摘要:文中闡述了體外預應力結構的歷史、發展狀況;系統地論述了體外預應力結構的力學特征、耐久性、橋梁結構加固及應用前景,詳細介紹了梁體的體外預應力加固技術。
關鍵詞:體外預應力,橋梁加固,應用
體外預應力混凝土技術早在1934 年即由德國工程師迪辛格爾取得了德國專利,于1937 年建成的世界第一座預應力混凝土橋就屬于體外預應力結構。由于當時體外索的防腐問題尚未解決,故該項技術沒有得到推廣。自20 個世紀80年代以來,隨著鋼筋防腐措施的改進,體外預應力技術無論是在新建還是在加固工程中,均得到了廣泛地應用,已成為后張預應力體系的重要分支之一。
我國正處于道路與城市建設的高峰期,體外預應力技術具有極大的針對性, 尤其在橋梁建設中有著巨大地應用前景。體外預應力技術由于具有施工方便、經濟可靠,預應力筋可以單獨防腐甚至可以更換等特點,近年來,體外預應力梁已被廣泛應用于舊橋的加固工程中。眾多的工程實踐證明,利用體外預應力加固舊橋能顯著提高結構承載力和抗裂度,有效改善結構的應力狀
1 體外預應力的概念與體系
體外預應力是指對布置于承載橋梁結構本體之外的鋼束張拉而產生預應力。設計時僅把鋼束錨固區域設置在橋梁結構本體內，轉向塊可設在橋梁結構體內或體外。
體外預應力體系由體外預應力管道(高密度聚乙烯管HDPE或鋼管等)、漿體(防腐油脂或水泥漿體)、錨固體系和轉向塊等部件組成。體外預應力體系分為有粘結體外預應力體系和無粘結體外預應力體系。有粘結預應力體系是將鋼鉸線穿入孔道內張拉后，向孔道管內灌入水泥漿。無粘結預應力體系的體外預應力筋由若干單根無粘結筋組成，將單根無粘結筋平行穿入管內，張拉之前，先完成灌漿工藝，由水泥漿體將單根無粘結筋定位，張拉后不灌入水泥漿。
2 體外預應力加固的組成構造特點
2.1 組成構造特點
橋梁體外預應力加固體系的形式是多種多樣的。從構造形式上看，該體系主要由以下幾部分組成：水平筋、斜筋、上錨固點、滑塊、U形承托、水平筋固定支座。
(1) 體外預應力索、管道和灌漿材料
體外預應力體系采用的預應力索一般由鋼鉸線組成，包括與體內預應力混凝土結構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防護的單根無粘結鋼鉸線。體外預應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合的方式，即除在錨固段及轉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。
體外預應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)。水泥灌漿是最簡單和常用的，它可以適用于與結構有離散粘結的體外預應力結構，也適用于與結構完全無粘結的體外預應力結構。而油脂和石蠟通常用在由普通鋼鉸線和鋼管道組成的預應力系統中，以達到鋼索與結構無粘結的目的。
(2) 體外預應力索的錨固系統
體外預應力索的錨固體系一般可分為可更換和不可更換兩大類。在可更換的體外預應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鋼鉸線。使用普通鋼鉸線時在管道中灌注非剛性灌漿材料(油脂或石蠟)，使用無粘結鋼鉸線時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。可放松的類型在錨具后需預留一定長度的鋼索以滿足鋼索放松的需要，這種錨具的體外預應力索只能是無粘結鋼索。
(3) 體外預應力索的轉向裝置
體外預應力索的轉向裝置是體外預應力索在跨內唯一與混凝土體有聯系的構件，起體外預應力索轉向的重要作用。圖1～圖4是體外預應力混凝土結構中最常見的轉向裝置。
圖1為塊狀式轉向構造，只能承受鋼索的豎向分力，大量應用于跨徑較小、采用階段施工的體外預應力混凝土結構。圖2為底橫肋式轉向構造，能承受體外預應力索產生的橫向水平分力。轉向構造的混凝土在箱梁底板上是貫通的，這種構造常用于斜、彎的體外預應力 結構。圖3為能承受較大鋼索分力的橫豎肋式轉向構造，豎橫肋把鋼索的轉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向構造產生的水平分力。若豎向和橫向的橫肋全部加寬，這樣的轉向構造就成為轉向橫梁，常用于鋼索轉向力特別大的結構中。圖4為由較輕的鋼構件組成轉向鞍座的鋼鞍座式轉向構造，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向時產生的豎直及水平分力。這種輕型鋼鞍座轉向構造使用靈活、方便也可用于加固結構中。由于轉向鋼管要承受鋼索所產生的向上彎折力，一般需要壁厚較大的鋼管。
3 常見的體外預應力加固方法及施工工藝
采用體外預應力對梁式橋上部結構進行補強加固，其作法是在梁體下緣受拉區設置用粗鋼筋形成的預應力拉桿或預應力鋼束，通過張拉對梁體產生偏心的預應力，在此偏心壓力作用下梁體上拱，荷載撓度減小，改善了結構的受力，從而提高了結構承載力。
3.1 下撐式預應力拉桿(粗鋼筋)加固法
當橋下凈空許可時，可采用在梁下設置預應力拉桿(粗鋼筋)體系進行補強，也可將粗鋼筋錨固在從梁端數起的第二道橫隔板上，改變支撐點的位置和調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，在靠近梁端適當位置上彎起，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，從而在梁體中產生預壓應力。
(2) 縱向張拉法
當采用縱向張拉法補強加固時，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，拉桿端部設有絲扣，用軋絲錨錨固于梁頂的錨固槽內，對拉桿鋼筋施加預應力可以用旋緊螺帽，端部用張拉千斤頂張拉，拉桿中間設置法蘭螺絲收緊扣及電熱張拉等手段完成。
(3) 組合式預應力補強拉桿加固法
這是既布置水平補強拉桿，也布置有下撐式補強拉桿的組合式體外預應力加固方法。
(4) 豎向頂撐張拉法
在梁端底部設置U形鋼錨固板，沿梁底設置拉桿，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應力，當拉桿達到設計應力值后，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 體外預應力鋼絲束加固法
一般沿梁肋側面按某種曲線(拋物線等)線形設置預應力鋼絲束。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)設置一個定位箍圈(有梁底向上兜)，或者在梁肋側面埋設定位銷。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，預應力鋼絲束應放在保護導管內或張拉后在鋼絲束周圍用混凝土包裹。
4 設計計算的步驟和方法
(1) 體外預應力加固體系的力學分析
用力法求解體外預應力加固體系內力時,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構,計算得到水平鋼筋承擔的力之后,可進行體外索的配置,由水平鋼筋的張力估算出預應力筋的用量,最后校核計算結果。
(2) 求解加固體系的預應力損失
預應力損失的計算主要包括:摩阻力引起的預應力損失; 錨具變形引起的預應力損失; 溫差引起的預應力;分批張拉由于混凝土彈性收縮引起的預應力損失; 鋼筋松弛引起的預應力損失;混凝土收縮與徐變引起的預應力損失。
(2) 加固體系正常使用階段驗算
鋼筋應力驗算:根據應力控制條件來判斷是否滿足要求; 裂縫驗算: 采用直接控制裂縫寬度的方式計算,求最大裂縫寬度; 撓度驗算: 根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60 - 2004) ,控制活載撓度為f k = f a + f Xp ≤LP600 。
5 工程實例
某橋梁主梁跨徑為19. 2 m ,原設計荷載為汽- 15 ,目前梁體部分混凝土開始脫落,出現了縱向貫通裂縫,鋼筋也開始銹蝕。為了不影響正常的交通,擬采用體外預應力來加固,加固后的荷載等級標準為汽- 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 ,提高荷載等級后汽車活載在跨中截面產生的彎矩為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 ,
抗拉強度標準值為Aptk = 1 860 MPa ,張拉控制應力取σcon = 0. 55f ptk = 1 023 MPa 。
(1) 計算主梁截面幾何性質,跨中截面對下邊緣的抵抗矩
Wσx = 6. 86 ×107 (mm3 )
(2) 計算活載引起的水平預應力筋增量
Xp = (1. 02 ×10 - 3 ) ×Ay (N)/10. 54 ×10 – 11
(3) 體外預應力加固體系在加固時鋼筋的總預應力損失為
σs=σs1 +σs2 +σs3 +σs5 = 59. 87 (MPa)
(4) 體外索配筋計算
求解結果為Ay = 1 165 mm2 ;所需預應力鋼鉸線的根數為8. 4 ,取9 根。采用3 束3 Φj15. 2 預應力鋼筋束,Ay = 1 251 mm2 。
(5) 計算預應力水平鋼筋拉力增量
采用力法計算可得Xp = 12. 1 kN ,當采用簡化公式來計算拉力增量時, 計算結果為Xp =11. 9 kN。兩者相差很小,故用簡化公式來計算也可以滿足要求。
(6) 加固體系正常使用階段驗算
鋼筋應力驗算
σy = 972. 8 MPa < f = 1 209 MPa ,故滿足控制應力要求。
裂縫驗算
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,對該梁橋進行的體外預應力加固經過各種驗算均能滿足要求,經加固后該橋可以達到設計的荷載標準。
