浅议预应力加固技术在公路桥梁中的运用及其特点

邱小敏

摘要：预应力加固体系，从作用原理上解决了后加补强材料“应变滞后”所造成的材料利用效率不高的问题。文章介绍了工程中常用的体外预应力、高强复合纤维预应力、有粘结预应力的工作原理及其技术特点。

关键词：公路桥梁；预应力加固技术；体外预应力；高强复合纤维预应力；有粘结预应力

中图分类号：U445文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）09-0140-02

一、概论

（一）混凝土耐久性

20世纪90年代初，混凝土桥梁的耐久性已引起世界各国的重视，通过对大量具有20年以上桥龄的混凝土桥梁的养护管理实践，人们发现桥梁的混凝土开裂、剥落、衰变及钢筋的锈蚀（管道灌浆不饱满普遍存在）对桥梁的损害问题非常严重，已成为迫切需要解决的问题。严重损害的桥梁己危及交通的安全，需要大量的资金来维护或改建，严酷的现实使人们开始重视混凝土桥梁的耐久性。提高混凝土桥梁耐久性的技术途径有两个，一是采用高性能混凝土，以提高混凝土的抗渗性、匀质性、抗冻性，从而提高混凝土抵抗碳化和冷冻侵袭的能力；另外一种是提高既有桥梁耐久性的有效途径即对缺陷桥梁进行加固改造，延长其使用寿命。

（二）桥梁加固

桥梁加固改造是运用有效可行的技术手段对桥梁结构物进行补强加固及拓宽，其根本目的是恢复和提高其承载能力及耐久性。目前，常用的桥梁加固方法很多，从大的方面划分可分为上部结构补强加固和下部结构补强加固。桥梁上部结构补强加固方法又分为改变结构受力体系方法和不改变结构受力体系方法两类。从后加补强材料是否具备预应力及基本受力原理来看，桥梁上部加固又可划分为两大类，即主动加固和被动加固。

（三）桥梁主动加固原理

在受拉区（或抗剪薄弱区）直接增设补强材料，例如：补焊钢筋、粘贴钢板、粘贴高强复合纤维材料（碳纤维、芳纶纤维）等。这种加固方法从作用原理上讲，属于被动加固范畴。实际上设计时必须考虑带载加固及分阶段受力特点，构件自重及恒载由原梁承担；活载由加固后的组合截面承担，后加补强材料强度发挥程度受原梁变形的限制。

（四）桥梁被动加固原理

为解决后加补强材料“应变滞后”，提高后加补强材料利用率，对后加补强材料施加预应力，采用预加力原理进行加固补强。从作用原理上讲预应力加固属于主动加固范畴。后加补强材料主动受力，由于预加力的作用，改善了原梁的应力状态，以达到提高原梁承载力和抗裂性的目的。目前，桥梁结构中采用的预应力加固体系主要

有三种：即体外预应力加固体系、高强复合纤维预应力加固体系、有粘结预应力加固体系。

二、体外预应力加固体系

（一）发展背景

20世纪70年代，随着交通运输的发展，旧路改造及旧桥加固引起世界各国的普遍重视，很多国家开展了旧桥加固研究，在欧洲一些国家，采用体外预应力技术加固桥梁，提高原桥的荷载等级，收到了明显的经济效益。体外预应力技术在旧桥加固中的应用，又促进和加深了人们对体外预应力技术的认识。实际上，体外预应力技术伴随着预应力技术的产生而出现，并且利用体外预应力技术修建混凝土桥梁先于体内预应力技术，因此它是一门古老的新生技术。早在1934年德国人迪申格尔的体外无粘结筋技术便取得了德国和法国的专利，并于1936年建成实桥。但由于处于体外的钢筋防锈蚀技术不成熟，致使桥梁养护、维修费用很高，因而在很长时期内阻碍了这一技术的发展。90年代以来，体外预应力技术在国外得到了迅速发展，这一方面是由于人们对混凝土耐久性认识的提高，迫切期望创造一种具有防腐性能的结构，为体外预应力技术的发展提供了广阔的市场；另一方面，随着斜拉桥技术的发展，成功地解决了钢丝的防锈蚀和大吨位锚头的设计和施工问题，消除了体外预应力技术发展的最大障碍，使体外预应力技术的发展获得了新生。随着体外预应力设计理论及实用技术的不断发展，反过来叉进一步促进了体外预应力加固旧桥的应用。

（二）作用原理

体外预应力加固是将具有防腐保护的预应力筋布置在梁体的外部（或箱内），对梁体施加预应力，以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷产生的内力，达到改善梁的使用功能和提高梁的承载能力的目的。体外预应力加固是目前采用较多的加固方法之一，特别适用于在大跨径预应力混凝土连续箱梁和连续T构箱梁桥的加固。体外预应力筋锚固在梁端（或中间）横隔梁上，跨间用转向块调整预应力筋的角度，以适应梁的受力要求。严格来讲，体外预应力、体内无粘结预应力、包括斜拉桥在内，都属于无粘结预应力结构。无粘结预应力结构理论分析的核心问题是预应力钢柬在各受力阶段的应力增量计算问题。

（三）技术特点

与普通预应力混凝土结构相比，体外预应力混凝土结构具有如下主要优点：（1）体外预应力钢筋可以是不可更换的，也可以设计成可更换、可补拉的，可更换的体外力筋，易于维修、养护、加固；（2）体外预应力加固旧桥构造简单，简化了施工。由于梁肋中不设管道，避免了截面削弱，体外配筋方式取消管道灌浆工序可实现全年施工，对处于寒冷地区的北方各省具有十分重要的现实意义；（3）减小了钢筋柬的摩阻损失，预应力筋利用效率高，力筋应力变化幅值小，对抗疲劳有利。体外预应力加固混凝土桥梁在我国的推广应用，为解决工程上长期困扰的混凝土耐久性问题提供了可能，桥梁耐久性的提高，使用寿命的延长（换一次索或补拉一次，可延长使用寿命长达20年），可为桥梁养护管理及加固补强带来可观的直接经济效益，其间接和长期经济效益亦相当显著。

三、高强复合纤维预应力加固体系

目前，工程上应用的高强复合纤维主要有芳伦纤维及碳纤维（FRP），由于碳纤维材料在桥梁加固中的应用广泛，技术成熟，故本文主要介绍碳纤维预应力加固。

（一）问题提出

工程上采用较多的是在结构受拉区或抗剪薄弱区域，直接粘贴纤维的加固方法。就实际工程中大量遇到的承载力加固而言，采用在受拉区直接粘贴碳纤维布的被动加固方法，后加补强材料是不能充分发挥作用的。按照分阶段受力特点，直接粘贴的后加补强材料只承担活载内力；与原梁钢筋相比，其应变严重“滞后”。极限状态下，其强度的发挥程度受原梁变形的限制，一般情况下达不到其抗拉强度设计值。计算表明，对原梁高度较小、配筋率较大的情况，加固设计以混凝土压应变达到极限值控制设计，在极限状态下，后加补强材料的应力仅为700 MPa～800 MPa，此值只相当碳纤维抗拉强度标准值的（21.2%～24.2%）；对原梁高度较大、配筋率较小的情况，加固设计以原梁钢筋应变达到极限值0.01控制设计，在极限状态下，后加补强材料的应力也只有2000MPa左右，此值相当碳纤维抗拉强度标准值的60%。由于受原梁变形限制，在极限状态下高强复合纤维的高抗拉I陛能根本无法充分发挥作用，造成一种极大的浪费。而且，不加分析的盲目增加后补强材料的用量，加固后构件可能发生超筋脆性破坏，设计是不安全的。

（二）作用原理

为了提高碳纤维材料的利用效率及增强旧桥加固效果，对碳纤维材料施加预应力是一种有效的办法。碳纤维预应力加固的作用原理为，利用锚固粘贴于被加固梁体上的碳纤维布条（或板条）对梁体施加预应力，改善加固梁的受力状态，其关键技术是解决适应于桥梁现场施工的预应力纤维布（或板）的张拉、锚固问题。目前，这种加固体系尚处于试验研究阶段。

（三）技术特点

（1）高强高效。由于FRP优异的物理力学性能，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的；（2）线膨胀系数与混凝土接近，保证了温度变化时， FR与混凝土可以协同工作；（3）施工便捷、工效高、没有湿作业，不需大型施工机具，施工占地少，施工效率高。据有关资料统计，粘贴FRP是粘贴钢板施工工效的4倍～8倍。FRP轻质柔软，易贴附，与粘贴钢板相比其施工质量更易保证；（4）不增加构件的自重和体积。FRP质量轻且厚度很薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重和尺寸，也就不会减少建筑物的使用空间；（5）具有很好的耐腐蚀性和耐久性能。试验表明：碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维具有良好的耐腐蚀性和耐久性，可以抵抗建筑物中经常遇到的酸、碱、盐等对结构的腐蚀使用此材料加固后，不仅不需要对其进行定期维护，而且其本身更可以对内部混凝土结构起到保护作用；（6）适用面广。可广泛用于各种结构类型（如建筑物、构筑物、桥梁隧道、涵洞、烟囱等）、各种结构形状（如矩形、圆形、曲面结构等）、各种结构部位（如梁、板、节点、拱、壳、墩等）的加固修补，且不改变结构形状及不影响结构外观，这是目前任何一种结构加固方法都不可比拟的。

四、有粘结预应力加固体系

（一）作用原理

利用锚固于被加固梁体上的小直径预应力筋，对梁体施加预应力，然后喷注具有较高抗拉强度的复合砂浆，将预应力筋与被加固梁体粘结为一体，构成有粘结预应力加固体系。有粘结预应力加固体系以其预应力筋锚固简单、张拉施工方便、结构耐久性好，材料利用效率高的技术优势受到国内外土木工程界的重视。有粘结预应力加固体系特点适用于中、小跨径钢筋混凝土T梁、空心板梁、箱梁桥的加固，尤其是对高速公路及城市立交工程中，大量采用的中等跨径的钢筋混凝土及预应力混凝土连续箱梁桥，由于受箱梁高度的限制，在箱内布置体外预应力筋有困难的情况下，采用在箱梁底板部增设预应力筋，然后喷注高性能抗拉复合砂浆的有粘结预应力加固体系是理想的加固方案之一。

（二）技术特点

与体外预应力加固体系相比有粘结预应力加固体系的突出优点是：（1）能最大限度的发挥后加补强材料的作用，提高材料的利用效率；（2）喷注的高性能抗拉复合砂浆保护层。抗碳化和抗氯离子侵蚀能力强，保护钢筋免于锈蚀，提高结构耐久性，延长结构使用寿命；（3）靠小型锚具和高性能抗拉复合砂浆粘结的双重作用锚固预应力钢筋，锚固工作更为安全可靠。

（三）发展前景

韩国M&S公司的SRAP工艺具有有粘结预应力加固特征，但所采用的AP砂浆和预应力镀锌软钢丝全部从国外进口，工程造价偏高，市场竞争力受到一定的影响。为适应桥梁加固市场的需求，国内研究开发的高性能抗拉复合砂浆（简称HTCM砂浆）已供市场，其抗拉强度、粘结性能及抗碳化、抗氯离子侵蚀能力均略高于AP砂浆、采用2股或3股钢绞线、螺旋带肋钢丝及小直径高强粗钢筋等国产钢材做预应力筋的张拉、锚固系统的试验研究已取得阶段性成果，为有粘结预应力加固在我省的推广开辟了新的途径。采用有粘结预应力加固体系，可以提高结构的耐久性，延长结构使用年限20年～30年，由此带来经济效益是巨大的。