论体外预应力在桥梁结构设计与应用中的关键技术

【摘要】体外预应力技术作为预应力体系的重要分支，以其优良的特性，等到广泛的推广应用。本文结合工程实践，论述了体外预应力结构的关键技术，包括体外预应力筋和普通钢筋、体外预应力转向块、体外预应力锚固系统等。

【关键词】体外预应力；转向块；锚固；防护；振动

【Abstract】External prestressing technology as an important branch of prestressed system， with its excellent features， until a wide range of application. Combining engineering practice， it discusses the key technologies externally prestressed structures， including in vitro tendons and ordinary steel， externally prestressed steering block， in vitro prestressed anchorage system.

【Key words】Externally prestressed；Turning pieces；Anchor；Protection；Vibration

1. 前言

体外预应力（External Prestressing Force）技术是将预应力筋束布置在主体结构外部，通过锚固端和转向装置来传递预加应力。体外预应力不仅被用于新建结构，还被用来加固旧桥结构，体外预应力技术得到广泛的应用和推广，但相对国外，该技术的发展在我国还处于初期阶段，很多问题需要研究解决，而且体外预应力一些关键问题在设计施工中容易被忽视，造成严重的质量问题，因此，对体外预应力关键技术需要进行深入的研究。

2. 体外预应力体系及特点

体外预应力技术经过近几十年的发展和工程应用，目前已形成两种主要体系，如Fressinet和VSL体系均包括这两种体系。体系1：体外预应力筋穿入HDPE或钢管孔道内，张拉后灌浆。这种体系称为有粘结体外预应力。此体系的优点是：由于孔道管在结构体外，管道的铺设质量及其水密性容易检查和控制。预应力的摩阻损失较小。体系2：体外预应力筋由单根无粘结筋平行穿入HDPE或钢管孔道内张拉之前完成灌浆，由浆体将单根无粘结筋定位。这种体系称为无粘结体外预应力。此体系的优点是：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，易操作，预应力筋具有四层防护（油脂、HDPE、浆体和外套管），因而其耐腐蚀性好且防护安全性可靠，在使用期间可重复调整预应力值，更换预应力筋方便。

3. 体外预应力转向块和锚固块

体外预应力桥梁的体外预应力筋只在锚固位置和转向块位置与结构相联。因此，锚固与转向块在体外预应力桥梁中的地位举足轻重。是体外预应力桥梁中最重要的关键结构。

3.1体外预应力桥梁中的转向块。

（1）转向块的作用是传递体外束作用力，限制体外索的自由长度，调整体外束偏心距。转向块由于受较大集中力及预应力筋的摩擦作用，受力复杂。一旦设计不合理、结构措施不当或体外预应力筋定位不准确，将给体外预应力结构带来严重后果，故其设计直接关系着结构的使用效果和耐久性。目前常见的转向块有三种，即块式、横隔板式和肋式。隔板式和肋式转向块的优点是：转向块处可形成抵抗力筋张拉力分力的受压支柱，这一受压支柱从管道一直形成到桥面，承载能力较大。它的缺点是增加恒载重量、加大腹板平均厚度、模板构造也比较复杂。块式转向块结构的特点是仅在底板根部设置很小的混凝土块，这样给结构施加的附加荷载就相对较小，模板构造也很简单，可以把复杂程度控制在最小程度，为施工带了较大方便。但它的缺点是一旦发生开裂后不能形成受压支柱，转向块处的分力由于钢筋作用直接传递到箱梁底板或腹板，力束的垂直分力或水平分力都有使转向块从梁体拉脱的倾向。故其受力、配筋相对复杂，而承载能力不如横隔板式、肋式。从结构的承载能力、使用安全等综合因素出发，运用较广泛的是肋式转向块。

（2）转向块对二次效应影响的改变。

结构在荷载作用下，会产生抛物线形状，力筋的变形和结构的变形并不协调，存在一个偏心距，即对结构产生二次效应影响。二次效应大大降低了体外预应力的作用和结构的抗弯性能，设计中，适当加密转向块的间距，可减小其产生的不利影响。同时，在转向块处采用圆弧线型，控制最小半径，以获得良好的工程效果。有关资料表明，当设置了转向块，结构的二次效应影响会明显降低，尤其是将转向块布置在结构挠度最大的地方，效果尤为明显，能使结构的整体承载力提高30%～40%左右。另外，在弹性阶段体外预应力结构的二次效应均比较小，在设计中可不予考虑。

3.2体外预应力桥梁中的锚固块。

（1）锚固系统可分为可更换和不可更换两类。对于不可更换的体外预应力锚具而言，其钢索不能更换或调整，常用于体外预应力拉索与整体结构有离散粘结的结构，如：悬拼结构、串连结构和拼接梁结构等；对于可更换的体外预应力锚固系统，锚具与混凝土结构之间是隔断的，其功能与斜拉桥类似，既有锚固功能，也便于调整更换。如：桥梁加固、系杆拱构造等。锚固系统的设计和选取应根据实际工程情况进行选取。

（2）锚固系统通常采用配有夹片群锚的非平行钢绞线或配有墩头锚、冷铸锚的平行高强钢丝布置形式。当遇到必须更换大量预应力筋的情况，需要独设计一个钢锚箱，以实现结构的连接和内力的传递。钢锚箱不仅是结构的关键，也是最为薄弱的部位。首先，对钢锚箱进行有限元分析，获取锚固体系及其附近结构的受力性能、应力分布的情况。建模时对于工况的选取，应尽可能与实际相符，同时，要检验有限元密度划分是否合理；其次，建立锚固体系的模拟实验。通过对构件应力变化明显、受力脆弱及能充分反应构件受力特性的区域进行模拟，将测试结果与有限元计算结果进行比较，来判断构件安全性和承载力。

4. 体外预应力筋的防护处理与补强设计

4.1体外预应力筋的防护处理。

体外预应力筋的锈蚀是导致结构正常使用功能下降的主要原因，如何进行预应筋的防护就显得尤为重要。在体外预应力技术使用早期，由于防腐条件的限制，其工程应用几乎被停滞。目前，高性能钢索及其抗腐处理的进一步发展，为体外预应力技术的再次兴起提供了有利支持。体外预应力筋的防护可分为整体防护和局部防护。整体防护是在钢绞线上涂锌或静电吸附环氧涂层.并将建筑油脂填充在钢管或高密度PE（聚乙烯）管内，其方法类似于斜拉索；局部防护是在锚固装置和转向块处，进行密封处理和涂防腐层，做好连接部位的保护。通过对体外预应力结构的整体和局部处理，有效地提高结构体系的耐久性能和使用寿命。当前体外预应力筋的防腐仍需进一步的加强，尤其对于大跨径的结构，要充分考虑“换索”的可能性。随着CFRP（碳纤维复合材料）的研究与发展，其具有的物理力学性能，如：自重轻、强度高和抗腐蚀性等特性，为体外预应力索的防护开辟了新的道路，今后碳纤维的聚合束将可能替代钢绞线筋束。

4.2体外预应力补强中的力筋设计。

体外预应力技术是加固、修复旧桥结构最有效的方法之一，有效地解决了旧桥结构正常使用承载能力不足的问题。在进行补强理论模拟计算时，需要考虑的因素很多，如：体外预应力筋的布置、体外预应力筋的面积和加固后承载能力验算等等，其中如何进行体外预应力筋的布置和面积确定，是获得良好补强效果的关键。对于体外预应力筋的布置而言，应根据弯矩包络图、实际工况进行配索设计和布设定位，最终确定力筋的线型走向；对于体外预应力筋的面积设计而言，应根据结构危险截面的抗弯强度来确定，并考虑结构运营役期所造成的各项预应力损失。将旧桥的承载能力和补强所需承载能力进行对比，用两者的差值来确定有效预应力、力筋偏心距和预应力筋面积。值得注意的是，基于对体外预应力筋增量和二次效应的影响，设计时要选取一个安全系数进行综合考虑，以保证可靠性和安全性。

4.3粱内普通钢筋对结构性能的影响。

体外预应力结构中，普通钢筋对结构性能的影响不能忽略，只有全面地考虑相关的数据参数，才能获得合理的配置设计。随着梁内普通钢筋配筋率的增大，体外预应力梁的承载能力明显提高；梁内普通钢筋配筋率和普通钢筋屈服荷载的增大，体外预应力筋的应力增量也逐渐增大；当梁内普通钢筋配筋率过大，体外预应力筋的弯曲变形反而变弱。通常，在体外预应力梁内，设置一定数量的普通钢筋（约大于0.3%），对改善和提高整个结构的受力性能是极为有利的，但注意也不宜过大。

4.4体外预应力加固梁的振动

研究体外预应力加固梁动力特性的基础就是其固有频率，它实际上表征了梁对动荷载的敏感程度，精确求得体外预应力加固梁的自振频率理论值对结构健康评估和养护意义深远。

我国技术规范中以静力计算为主，关于动力方面指出：体外索的自由长度超过10m时应设置定位装置。体外索和混凝土加固梁是两个独立的构件，有各自的振动状态和变形（除锚固端及转向装置处），这是与传统体内预应力所不同的。当加固后的梁、体外索的振动频率和外部激励频率三个中有两个比较接近，就会产生共振现象，容易导致锚具产生疲劳损伤，甚至直接脱锚，而且转向装置处体外预应力索也容易疲劳损伤，久而久之会导致索的断裂，造成加固梁脆性破坏，这将导致严重的后果。研究体外预应力加固梁的固有频率，根据体外预应力加固张拉阶段和受力特点的不同，用经典的动力学方法建立各阶段的振动方程，并结合国内外文献的求解方法，对其振动方程进行求解，得到在不同体外索线型下加固梁的自振频率，明确被加固梁、体外索和外部荷载激励三者频率，并采取技术措施，可防止共振现象的产生。

5. 体外筋应力增量的计算

体外筋应力增量的计算很复杂，其影响因素包括荷载作用形式及约束情况、跨高比、预应力筋及非预应力筋的用量、材料特性、有效预应力的大小等。根据体外筋应力增量与梁跨中挠度近似成直线关系，体外筋应力增量有一定的变化规律：

5.1体外预应力筋与梁体变形不协调，不能根据体外预应力筋重心处的混凝土变形来计算体外预应力筋的应力增量，而应通过各转向块（锚固点）问的距离变化计算体外预应力筋的变形，进而得出体外预应力筋的应力增量。

5.2加固梁重新开裂以前，体外筋应力增量增长速度缓慢，与荷载基本成线性变化。

5.3对于体外预应力加固梁，构件重新开裂以后并不象普通体外预应力梁一样截面刚度明显降低，体外筋应力增量增长速率有明显的增大，而要等到旧的裂缝延伸或者新裂缝产生才有这种现象发生。

5.4随着梁体挠度的增大，体外筋的应力增量也在增大。直线形体外筋受二次效应影响的程度大，因此它的应力增量相对较小；折线型体外筋受二次效应的影响程度小，因此它的应力增量相对较大。

5.5体外筋的极限应力增量大小各不相同而且差别较大。因此，《无粘结预应力混凝土结构技术规程》（JGJ92-2004 J409-2005）规定的体外力筋应力设计取值偏于安全。

6. 结语

随着新材料和新技术的不断发展，如何提高实力成为未来竞争的关键。在我国，体外预应力结构的研究相对滞后，对其进行设计、施工等方面的深入研究，是促使体外预应力结构迅速发展的主要动

力，体外预应力结构的锚固系统体外预应力技术广泛应用于桥梁的修建与加固工程，体外预应力结构的关键构件，其可靠性具有很高的要求。因此，体外预应力锚具的各种技术指标，均应严格掌握，以保证结构安全性能。

参考文献

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[2]李晨光，刘航.高效体外预应力结构锚具系统研究应用[J]，建筑技术开发，2001.（5）：11～17.

[3]熊学玉，顾炜，李亚明.体外预应力结构体系探讨.工业建筑，2004年第7期.

[4]肖锡康伍波，体外预应力桥梁构造细节探讨，公路交通技术，2002年02期.

[作者简介] 郑向东（1969-），男，本科，职称：高级工程师 ，长期从事公路桥梁工程技术工作。