体外预应力加固钢筋混凝土简支梁桥的设计方法

黄山

摘 要：以某跨江大桥为工程实例，围绕体外预应力加固技术进行探讨，通过对转向装置以及桥梁结构建立有限元模型分析其受力特点，最终得出结论：需对预应力混凝土T梁进行加固，使其承载力提高。并对该加固技术进行总结，希望为相关工程提供参考。

关键词：体外预应力 转向装置 加固

在桥梁工程建设过程中，对其进行加固是十分重要的一个环节，常用的加固方式是利用预应力钢筋放置在混凝土截面内部的形式，而本文所提到的体外预应力则是另外的结构。两种方式最重要的区别不是在力学方面的问题，而是自身的构造所在。具体来说，该结构不存在直接接触部分，相反利用到的是锚具以及转向块的作用力。该预应力混凝土构件自身存在多方面的优点，比如说降低摩阻损失、结构质量较轻、增加构造的稳定性等。将其应用在桥梁加固工程中，能够充分地发挥出其自身优势，比如说减少主动受力、构件形变几率。针对主动受力来说，具体指增加了该构件的等效外荷载而且此荷载是同恒载以及活载效应相反的。同时，利用该技术还会让桥梁更加加固，进行检查、更换也会更加方便。

1.工程概况

某跨江大桥荷载达到：汽-13，拖-60。其所上梁部分的结构为简支梁，每孔由4片长33m预应力混凝土T梁组成，梁宽2.20m，高1.70m。该工程中存在的最大的问题就是渗水产生对桥梁的侵蚀危害，最终引发了桥梁出现裂缝、锈蚀等现象，导致了桥梁外部的裸漏。

2.体外预应力加固构造及细部分析

此加固技术具有以下优势：（1）施工过程中对于交通的影响较低；（2）高度成熟的修缮技术；（3）具有比较夯实的加固效果。因此最终决定将该技术应用于该大桥的主梁部分的加固工作。

2.1体外预应力加固构造

作为预应力混凝土梁体加固工程中最重要的构造即转向装置，其主要作用就是将预应力钢筋的方向进行转变用于曲线配筋，最终来加强整个工程的抗剪能力。此大桥的体外预应力钢束的组成即由水平、斜这两部分构成。转向装置被布置在钢束分离处的L/4的地方。核心部分是由钢材料组成，要将4束斜钢束、2束水平钢束组成主梁。

2.2转向装置细部受力分析

2.2.1模型建立

利用MidasFEA建立转向装置实体模型，设计转向装置的具体细节尺寸。如图1所示。

2.2.2荷载工况

要将一下两项的荷载工况用于具体详细的计算工作当中：

工况1：最终用于锚垫板外侧部分的应力的计算，其是在侧端部进行跨中方式的加固工作，此时仅仅需要在锚垫板的外侧部分增加相应的荷载即可。

工况2：最终用于计锚垫板侧的应力的计算，其是利用在支点部分的侧端进行相应的固定工作，此时仅仅需要在锚垫板的外侧部分增加相应的荷载即可。

2.3计算结果及分析

通过对工况1、2的计算，核心部分转向装置单元在角隅的地方应力会更加明显，而主拉应力始终维持在较低值。在工况1下拉应力的最大值为185MPa，在工况2下拉应力的最大值为193MPa。由此看来，这两种情况下是全部不比Q345钢材轴产生的向容许应力大，可见转向块处于正常状态。

3.加固计算与验算

3.1结构建模

根据桥梁结构形式，采用结构分析有限元通用程序 Midas Civil进行空间结构的建模与分析。

3.2原桥承载能力计算

根据有限元模型计算结果，分别采用汽-15和公路II级车道荷载，对结构内力进行荷载效应组合.汽-15级作用下跨中最大弯矩为4574.1kN·m，公路I I级作用下跨中最大弯矩为6114.7kN·m.利用Midas civil进行截面抗力估算，跨中正截面抗力值5056.56kN·m，则：4574.1kN·m<5056.56kN·m<6114.68kN·m故该桥上部结构满足汽-15级荷载，但不满足公路Ⅱ级荷载，需对预应力混凝土T梁进行加固，使其承载力提高，满足公路Ⅱ级荷载的需要，同时满足抗裂性等要求。

3.3体外预应力钢束面积估算

估算体外预应力钢束面积时，应考虑预应力损失及松弛.加固所需预应力钢绞线的根数为：140×1860×0.65×0.8 =6.91根，故体外预应力筋钢绞线面积为140×2×4=1120mm2。

3.4加固效率计算

公路Ⅱ级荷载作用下基本组合效应值比汽-15作用下增加33.6%；加固前原梁承载力为5056.56kN，加固后用Midas Civil计算得截面承载力为7575.42kN，承载力增加幅度为49.81%.利用Midas Civil对结构加固后的承载能力、抗裂性、以及应力和变形进行了验算，均满足要求。

4.国内外体外预应力加固技术现状

依据预应力布置钢筋的方式的不同，预应力加固技术可分为两种：（1）体内布钢筋；（2）体外布鋼筋。前一种方式，其优点是整个施工过程较为简便，进行钢筋更换的时候也较为便利，也是因为以上优势的存在使其成为桥梁进行加固施工时常用的布置钢筋法。进一步来说，该法就是利用钢束所形成的预应力最终产生的拉力进行工作的，此处预应力进行施加的部分只能在锚固处完成。

4.1加固类型和特征

体外预应力加固桥梁法，主要原理是原有受力体系进行改变。依据加固的对象，可将该加固方法分为两种：（1）预应力拉杆加固；（2）预应力撑杆加固。前者是将加固的重点位置放在了受弯构件处，而后者则将重点放在轴心处以此增加其受压力。

依据加固结构所要求的受力，可将该加固方法分为三种：（1）水平拉杆；（2）下撑拉杆；（3）组合式拉杆。水平拉杆是针对在正截面进行受弯时较低承受力时的处理办法，可以做到让梁的挠度有所降低，尽可能避免构件之间发生的裂缝现象。下撑拉杆则是利用斜截面、正截面进行受弯时较低的承受力，同样可以起到水平拉杆的两种作用，只是针对的加固结构受力的不同而已。组合式拉杆利用到前两种拉杆各2根，针对的是正截面进行受弯时较低承受力但是此时斜截面的承受力还可以挽救时利用的方法。

4.2体外预应力加固法机理

体外预应力加固法其原理为利用设置在桥梁外面的拉杆或撑杆，将锚固与前者进行结合，通过预应力的作用让拉杆或者撑杆强迫地进行受力。这样可以使原结构中的具体受力进行转换，最终为了提升桥梁的承载能力。

目前，国内外利用下撑式拉杆方法进行体外预应力加固比较普遍。原结构的主梁部分也可叫折架的上弦，水平拉杆用在下弦处是利用此加固方法需对桥梁进行新增的构件，腹杆部分是斜拉杆的更新构件。竖杆是用在接触桥梁的，其实质是垫块。此处用到单垫块的话就成为单柱式，那么用到双垫块则是双柱式。在针对斜杆进行锚固时，根据锚固位置的不同分为两种，其一梁端顶部，其二梁肋顶部。滑块链接在斜杆的底部位置，依靠拉杆时产生的收紧力量形成了上托力，以及产生的摩擦力。针对斜杆来说，其张拉的产生并不是一下就通过施加产生，最重要的是利用水平拉杆形成拉力以此让滑块发生相对的位移，增加长度。加固工作的完成标志就是水平拉杆张拉力最终到达相关方案设计值时，进行两端锚固。梁体上所形成的偏心轴向压力是由斜杆顶端以及梁底垫块上作用着的水平分力共同产生的。梁体的加强就是最终通过以上的受力以及各拉杆的张拉共同完成的。

5.结束语

（1）利用到的体外预应力法进行对预应力简支T桥梁的加固施工，整体来说凭借自身成熟的技艺以及较小的交通影响，让梁体的承受力得到很大的提升。

（2）在进行张拉锚固的过程中，先详尽分析转向装置，以此证明该构造自身具有较广的应用性。

（3）对于本文所提实例大桥进行加固工程之后，桥梁的承载力针对之前的结构来说，有了很大的提升，而且是具有安全保障的，在未来的加固工程中可以进行推广。

参考文献：

[1]马振宇.公路桥梁施工中体外预应力加固技术[J].交通世界，2017（36）：132-133.

[2]张沧海，吴登科.桥梁体外预应力加固方法研究[J].黑龙江交通科技，2018（10）：151-152.