公路钢筋混凝土桥梁的体外预应力加固技术

侯玉成

（杭州市交通规划设计院，浙江 杭州310006）

一、体外预应力混凝土桥梁全过程分析的方法

现在常用的体外预应力混凝桥梁全过程分析方法主要有三种：第一，利用数值分析或者试验的结果，以整体变形协调及梁截面受力平衡为基础，利用相关的系统软件进行全过程分析。该分析方法所采用的是联立方程计算体外预应力筋转向以及摩阻滑动，要将诸如二次效应等几何非线性影响因素考虑进去。不过通常该方法常用于整体式简支梁的分析，而节段式梁则不适用。第二，采用钢筋混凝土非线性分析原理结合试验成果，利用平面梁单元非线性有限元分析原理，分别建立起混凝土、节段接缝、钢筋以及体外预应力筋摩阻滑动等分析模型，再利用相关软件做全过程分析。这种分析方法在进行体外预应力混凝土桥梁的受力性能模拟方面比较细致。第三，就是在钢筋混凝土非线性分析原理的基础上，利用空间非线性有限元分析法对钢筋及混凝土的受力过程进行模拟，再利用软件做全过程分析，这种方法和普通钢筋混凝土非线性分析的方法比较相近，不过相对来说体外预应力筋滑动及节段接缝的分析模型比较简单。

二、计算体外预应力混凝土梁抗弯承载以力极限状态

当抗弯承载能力处于极限状态时，整体梁截面的受拉区其体内的纵向预应力筋应力、普通钢筋以及节段式梁接缝截面受拉区体内预应力筋应力等，都已经比屈服强度或者条件屈服强度要大，并且经过相对较大的塑性应变以后，其应力基本为极限强度；并且此时体外预应力筋的应力相对较低，有些部分并未达到条件屈服强度，有些部分尽管比条件屈服强度要大，但是其塑性应变并没有再进行充分的发展。对体外预应力混凝土梁的抗弯极限承载力产生直接影响的因素主要有以下几个：加载和施工的方法、体内及体外的配筋比和跨高比，而其它的因素则相对次要。抗弯极限承载能力受到加载和施工方法、体内及体外配筋比和跨高比的影响可以分为直接和间接两个部分。影向抗弯极限承载力的直接影响因素利用简单的计算就可以得出，但是间接的影响只能对相关试验结果做出分析才能得出，或者利用结构非线性有限元分析而得出。

三、计算抗剪承载能力的极限状态

发生剪压破坏时，剪压区的混凝土受到纵向压应力以及竖向剪应力共同作用，达到极限强度，节段式梁的剪压破坏就表现为接缝开展、竖裂缝或者斜裂缝等形式。体外预应力混凝土梁的抗剪承载力，一般由以下几个主要因素共同组成：混凝土截面所提供的承载力、弯起预应力筋所提供的承载力、箍筋所提供的承载力等，此外，体内的纵向配筋以及纵向预应力对混凝土的截面承载力也会起到一定的作用。对试验的参数做出分析可以得出，如果混凝土的强度基本相同，抗剪承载力受到以下主要因素的影响：施工的方式方法、体内外的预应力筋的配比、纵向的预应力以及剪跨比和配箍率等因素，而其它的因素对其影响相对较小。同样，抗剪承载力受到主要因素的影响也分为直接影响及间接影响两个部分，其中梁体的受力性能及抗议剪承载力受到施工的方式方法以及配箍率和剪跨比的直接影响；而体内外的预应力配筋比及纵向预应力等因素，会对混凝土的抗剪承载力、梁体的变形、裂缝的水平长度变化、裂缝发生及发展、体外的预应力筋极限应力、二次效应等均会产生间接的影响。

四、实例分析

（一）工程概况

某大桥上部结构为钢筋混凝土T梁，高1.3m，跨径为20m，梁肋的间距为1.6m，每跨横桥向7片T梁，五道横隔板。上部结构病害主要有：主梁表面的混凝土出现剥离现象，钢筋外露；跨中的梁腹板有较多裂缝且比较严重。上述病害主要成因有两点：其一，主梁上部结构尺寸偏小，承载力低；其二，桥梁的使用荷载超出设计荷载，桥梁的运营长年超重，桥梁被破坏的速度更快。因此采用体外预应力加固法对其钢筋混凝土T梁进行加固。

（二）利用水平预应力钢筋加固主梁正截面

利用水平预应力钢筋对主梁正截面抗弯进行加固的主要目的是在梁底部位施加纵向预应力，会对梁体产生反向弯矩，从而梁体的部分自重和活载所产生的正弯矩被抵消，主梁的抗弯能力得到提高。经过分析研究，由于螺纹钢筋的锚固工艺简单，通常厂家配备有螺帽，便于张拉，因此采用直径为25mm的精轧螺纹预应力钢筋作为水平预应力钢筋，T梁的腹板两侧各设一根，与梁底的距离为17.5公分，抗拉强度的标准值为930 Mpa。被加固的梁体上有支承钢板，将预应力筋锚固固定其上，再通过液压扳手拧紧螺帽的方法作两端张拉，单根的钢筋张拉力147KN。在进行张拉和锚固后，再喷注高性能的抗拉复合砂浆，喷注时要注意，喷注范围不可超出腹板两侧原梁钢筋骨架的高度，从而构成具有粘结预应力的正截面加固体系。其结构示意图如下图1所示：

（三）利用斜向预应力钢筋加固主梁斜截面

斜向预应力钢筋下方和水平筋相连接，上端锚固在梁端腹板的位置，其主要目的是提供梁端部位的预剪力及负弯矩，使得主梁斜截面的抗剪能力得到提高。经过分析研究，斜向预采用直径为18mm的精轧螺纹预应力钢筋作为斜向预应力钢筋，梁端腹板两边分别设置一根，抗拉强度的标准值为930Mpa。预应力筋的固定端与腹梁的钢板固定焊接，而张拉端则卡在钢板上即可，再进行单端张拉，张拉力为70KN，同样喷注抗拉复合砂浆构成预应力斜截面加固体系。其结构示意图如下图2所示：

五、进行体外预应力加固梁设计的几点建议

（一）在跨中增设转向块

加固梁被破坏的原因通常是因为跨中位置的裂缝及挠度太大，造成上部混凝土被压碎，在跨中增设转向块固然无法起到转向作用，但是可以促使结构变形和体外约束变形相一致，跨中挠度有所减小，而且因为体外预应力束位移及偏心矩的变化对加固梁产生的影响也有所减小。如果锚固区处于高预应力区设计转向块时，要根据体外束所产生的垂直分力及水平分力来进行，还要充分考虑到转向块集中应力会对原结构的混凝土产生影响。

（二）体外预应力筋的预应力损失

混凝土的收缩及摩擦和徐变所引起的体外预应力筋的预应力损失要小于普通的混凝土梁应力筋；当结构濒临破坏的临界点时，体外预应力筋会有很大的应力增量。所以为了避免结构突然脆性破坏和预应力筋长年处于高应力的状态，要适当降低体外索的张拉控制应力。体外预应力筋张拉控制应力要小于0.6fptk，不过也要大于0.4fptk。

（三）体外预应力筋的截面

体外预应力筋的截面最好不要选择过大，以节约材料成本及防止发生突然脆性失效。当体外预应力筋数量达到一定程度后，再增加数量结构的极限承载力也不会再有所提高，此时所增加的钢筋只能够改变加固梁的破坏形态。

[1]和鹏飞.体外预应力技术在桥梁施工中的应用[J].黑龙江科技信息,2010(2).

[2]熊学玉.体外预应力结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2005

[3]王雷,王晓民.体外预应力加固技术在桥梁建设中的应用[J].民营科技,2010(2).

[4]崔一正.桥梁体外预应力加固技术的探究[J].黑龙江科技信息,2010(6).

[5]陈文峰，卢哲安.公路桥梁上部结构加固方案综述[J].国外建材科技，2005（3）.