基于预应力混凝土桥梁的加固技术分析

2022-09-28李国良

运输经理世界 2022年4期

李国良

（赣州市公路发展中心南康分中心，江西赣州341400）

0 引言

随着我国现代科学技术不断发展，桥梁工程建设数量日益增多，桥梁工程技术水平不断提高。在桥梁建设施工中，预应力技术有不可取代的作用，应用预应力加固技术能够改善桥梁病害问题，提升桥梁结构的稳定性。因此分析预应力加固技术要点，明确预应力加固技术措施意义重大。

1 预应力混凝土技术

1.1 施工方式分析

在混凝土桥梁工程中，预应力混凝土结构加固技术作为常用的方式，在施工中可以利用预应力钢筋以及锚固连接技术提高整体结构的施工效果。较之传统混凝土结构形式，预应力混凝土主要具备如下优势。第一，混凝土结构内有钢筋、钢索等结构，结构强度性能提升明显，且更加经济、便捷。第二，预应力结构内加入其他材料，并施加预应力，工艺复杂性较高，对人员素质、专业水平方面有更高的要求。

预应力混凝土结构在施工中，按照张拉施工方式不同可以分为先张法和后张法，先张法是在混凝土结构内加入一定的高性能材料之后进行张拉施工，等相关的参数符合要求后再进行混凝土灌注施工，然后释放钢筋两端达到加固处理的要求。后张法是先进行混凝土灌注施工，在强度合格后再进行钢筋的张拉施工，然后进行两端锚固处理，从而提高结构性能。

1.2 预应力混凝土的优势分析

预应力施工技术被广泛地应用到桥梁工程中，利用价值较高。在我国，预应力混凝土桥梁是在20 世纪30年代投入使用的。在之后的50 年时间里发展速度极快，这有赖于其技术优势，预应力混凝土具体优势如下：

1.2.1 结构刚度大

在桥梁项目的施工阶段，荷载相对较小，也不会有过大的变化，但是投入使用后，桥梁会受到自重、车辆荷载、风荷载等持续性作用，极易造成结构应力发生变化，桥梁自身结构会产生较大的挠度，如果挠度控制不到位，结构变形问题会更加严重。预应力混凝土桥梁的使用中，提前将自重荷载、汽车荷载作用到结构式内，在施工结束后就能有效地应对外部作用荷载的影响，从而可以减少形变。

1.2.2 桥梁自重低

在预应力混凝土桥梁工程开展阶段中，通过应用加固技术能够减轻桥梁的自重，同时在材料选择时以混凝土与钢筋或者钢索为主要材料，保证其性能与参数均满足施工要求。根据桥梁设计方案实时进行预应力混凝土结构优化改进，提高材料的性能，减轻结构自重。

1.2.3 结构安全性强

合理应用预应力技术，在桥梁投入运营的阶段，避免存在过大挠度作用，结构稳定性提升比较明显。所以在预应力混凝土桥梁工程项目施工阶段中，有效应用此类技术能够强化桥梁结构的安全性。

1.2.4 施工效率高、环保性好

在预应力混凝土桥梁工程施工阶段，应用预应力技术能够提高材料的利用率，同时还能够有效地控制施工成本。此外，还能使桥梁具备较高的抗震性和耐疲劳性，后续维护保养成本较低，综合价值较高。

2 预应力混凝土桥梁存在问题及成因分析

对于预应力混凝土桥梁结构来说，成本低、刚度高、安全性好，综合利用价值高，且具备较高的环保性。但是因为结构自重的影响，抗裂性能不足，在使用中容易存在开裂、挠度过大等问题，影响桥梁使用效果，甚至引发安全事故。

2.1 存在的问题

2.1.1 结构存在裂缝

对于预应力混凝土桥梁而言，出现结构裂缝问题是比较常见的，因为受到技术因素以及材料因素的影响，混凝土结构裂缝会从微观裂缝逐渐演变为宏观裂缝。在混凝土结构内，微观裂缝包含粘接裂缝、水泥石裂缝、骨料裂缝等形式，以其发生位置进行区分。对于预应力混凝土桥梁而言，一旦出现宏观裂缝就会影响到桥梁结构的稳定性。而引起此类问题的主要原因在于材料的性能出现变化。在混凝土桥梁工程中，应持续性关注宏观裂缝问题，预防出现结构性能损失。

2.1.2 结构挠度增大

对于结构挠度来说，它主要是受弯构件在外界作用影响下引起的变形问题。预应力混凝土桥梁在使用中，形成挠度作用，表示整个桥梁结构内部出现了应力的变化，在桥梁受到抗拉强度影响之下，容易出现裂缝的问题，进而导致内部的应力出现失衡的情况，应力变化会更加的严重，影响桥梁使用安全性。

2.2 产生的原因

预应力混凝土桥梁出现裂缝问题，一般是内在、外在双重因素作用而形成的。通常来说，预应力混凝土桥梁因为荷载的持续作用，结构发生偏移，引发裂缝的问题，影响道路桥梁使用的安全性。外部荷载的作用主要包含了温度变化和汽车动荷载引起的桥梁沉降反应，造成桥梁结构出现了内力变化，形成形变，内力失衡从而造成裂缝问题的发生。

引起预应力混凝土挠度变形的因素有很多，例如主梁高度出现变化、预应力失效、技术工艺不合格等，都是导致此类问题的基础原因，而刚度变化是引发挠度的主要原因。桥梁刚度出现不足的情况，一方面是因为桥梁合龙接缝出现了开裂的问题，导致结构非刚性连接；另一方面是因为腹板发生了开裂，截面刚度性能不足而引发挠度变形。

3 预应力混凝土桥梁的加固技术

3.1 预应力混凝土桥梁加固的基本原理

3.1.1 预应力混凝土桥梁加固力学特性

桥梁受到荷载作用时，处于纯弯的结构形式，只承受上部荷载对桥梁产生的弯矩,应力变化导致结构受力产生形变公式见（1）。

式（1）中：σ 表示拉预应力（MPa）；M 表示荷载给桥梁造成的弯矩（kN·m）；W 表示桥梁截面的几何抗弯弹性模量（Pa）。

应力变化导致结构受力产生形变，这一问题的发生，主要是下述三个方面的原因造成的：

第一，外部荷载导致内力变化；第二，桥梁柱截面积受到截面几何特性变化；第三，桥梁自身材料特性的影响。

在桥梁受到的荷载不断增大的情况下，桥梁弯矩也会不断升高，从而出现内力变化的情况。如果桥梁内力变化超出材料本身的承载能力，会出现结构断裂的问题。此外，如果桥梁投入运营时间较长，材料会因为时间推移而不断发生弱化反应，应变能力也会发生变化，最终对结构使用产生不利影响。

3.1.2 预应力混凝土桥梁加固基本原理

预应力混凝土桥梁加固施工中应从下述两点出发：

（1）从外因角度出发。综合分析外部影响因素，需要调整结构性能，提升结构承载性能。在预应力混凝土桥梁加固技术施工环节，要明确增大桥梁加固的截面尺寸，同时利用混凝土以及外包混凝土等方式对相应的结构进行处理，此外为了能够全面提高桥梁主体结构的强度，还可以利用环氧砂浆、碳纤维、粘贴钢板等加固方式提高桥梁结构的强度。

（2）从内因角度出发。通过采取必要的措施调整桥梁内力，提升结构承载性能。根据实际情况分析，结合桥梁结构形式，采取合理方式调整结构性能，使其在受到外部荷载作用后，从纯弯结构调整为弯压结构，防止受到过大的弯矩作用。

3.2 预应力混凝土桥梁被动加固法

3.2.1 碳纤维加固法

粘贴碳纤维加固是应用性能比较高的技术。黏接剂把碳纤维布直接粘贴到桥梁结构表面。在外部荷载增大的情况下，两者同时作用，促进承载性能提升，保证加固效果。纤维复合材料有非常高的力学特性，应力应变没有弹性，也没有屈服点和塑性区。因为纤维复合材料的强度高、耐腐蚀性好、耐疲劳性能高，所以现场施工操作方便、快捷，在旧桥加固补强施工中有非常好的效果。碳纤维加固法应用到实际中，纤维复合材料和混凝土共同承载外部荷载作用，能够提高结构整体性能，产生较高的韧性，预防因为混凝土结构开裂而引发结构损坏。

3.2.2 增大截面和配筋法

该方法是以原桥梁结构形式为基础，通过增加截面尺寸、增加钢筋数量或设置型钢等方式，防止桥梁结构受到外力作用而产生弯矩，达到减小应力的效果。这种加固操作比较简单，取得的效果比较明显，需要注意的是，在使用这种加固方式的时候，需要把加固结构设置在桥梁下部的截面位置，通过架设基础结构提高桥梁工程的质量。

3.2.3 改变结构受力体系法

通过调整桥梁结构的受力体系进行加固施工，使桥梁具备较高的承载性能，这种方法可以调整结构的受力特点，将原拉力不断减小，最终形成压力，结构性能达到完好性要求，还能预防发生裂缝的危害。但是该方式工作难度高、工作量大，还要对原结构体系做出改变和调整，所以一般只能应用到特殊项目中，并不适宜大范围的使用。

3.2.4 粘贴钢板技术

通过粘贴钢板进行桥梁结构加固施工，一般需要应用环氧树脂或建筑结构胶施工，将钢板以及中间材料直接和桥梁结构粘贴成为整体，对薄弱结构进行加固施工，使各个结构同时承受外部荷载作用，提高承载性能和刚度，改变受力条件，还能预防发生裂缝的问题。一般情况下，粘贴4～8mm 钢板对桥梁结构承载力和刚度的提高效果要好于粘贴2～3 层碳纤维布。该加固方法可发挥材料的高强度，对构件受压区混凝土、受拉区钢筋的应力改善作用明显。

一般来说，在桥梁加固时采用厚度为4～8mm 的钢板进行施工，桥梁的承载力与刚度性能均得到改善。这种加固方式充分地体现出钢材的强度性能，在受压区、受拉区都能改善性能，发挥出结构性能提升的优越感。粘贴钢板加固方式，能够全面提升桥梁结构的总体性能，满足刚度及整体承载性能的要求。粘贴钢板法加固施工，应结合实际情况确定，符合现场施工要求，才能发挥出粘贴钢板法的优势和效果。按照目前国家标准和行业规范的要求，在粘贴钢板法应用前，必须加强现场分析和控制，计算了解各项临界数据信息，及时做出修正，从而提高结构的性能。

3.3 预应力混凝土桥梁主动加固法

3.3.1 体外预应力加固法

在体外预应力加固施工中，需要应用筋材、防护体系、锚固、转向等结构。具体来说，应选择合适的钢材并做好防腐处理，在现场进行测量放样，并进行锚固、滑块以及支座安装，再进行钢索张拉施工，最后开放交通。

目前，体外预应力加固方法较多，从实际情况分析，主要包含下述几种类型：

（1）横向收紧张拉法，该方法通常应用在桥梁梁端间距比较小的工程中，在桥梁下缘对称桥梁中线的两侧设置预应力筋的结构，并且在距离梁端的合适部位上弯起，然后通过锚固的方式固定到钢板两侧支座上。每一段结构的中点位置，应用螺栓进行稳定的连接，并且收紧两侧对称钢筋结构。把水平段结构的预应力钢筋直接分解给多个节段，并在两侧使用撑棍达到支撑的效果，然后在拉杆中形成预应力。经过多年经验总结发现，横向收紧张拉法的操作简单，适用范围较广，综合利用价值较高。

（2）纵向张拉法，该方法是沿着预应力筋轴线方向施加预应力，从而满足结构性能的标准要求。在该方式中，预应力拉杆依然是沿着梁底方向进行布置，直到在腹板或者顶板的部位上弯起，然后再根据梁顶部或者底部实现纵向张拉施工，作用就是减小梁端剪力。该方法和横向收紧张拉有很大的差异，拉杆弯起段通常穿过翼缘板斜孔伸至桥面，拉杆端部的位置上设有丝扣，可直接进行锚固处理。

（3）竖向顶撑张拉法，如果现场施工无法应用纵向张拉法施工，则可以应用竖向顶撑张拉的施工方式。在加固梁底的结构部位上，应用U 型钢锚固板的结构，设置拉杆结构，钢锚固板直接焊接在拉杆的梁端，在梁1/4 跨径、跨中或者跨间横隔板安装有张紧夹具，在达到规定应力参数后，应用钢筋混凝土垫块可以和底部连接固定，达到稳固效果。在达到规定张拉力的作用后，应用张紧夹具和承托架连接，还要及时对拉杆防锈处理。

（4）预弯梁法，上述几种方法的目的是解决桥梁下缘开裂的问题，而预弯梁法则解决梁体上缘开裂的问题。例如某简支钢板梁桥项目，在运营中出现荷载持续增大的情况，为了预防更严重的病害，应调整受力条件，实现面板结构刚度性能的提升，所以采取增大面板厚度的方式。浇筑工作实施前，先搭设支架，然后顶升梁体结构，达到规定强度标准后，下落新浇筑的面板支架。梁体自重作用持续影响，桥面存在扭应力的作用，对桥梁结构施加弯矩与轴力。体外预应力筋张拉施工，可以有效地抵消预应力张拉后出现的内部应力，消除收缩应力的作用。

3.3.2 无黏结和有黏结预应力加固法

无黏结预应力加固法就是应用有防腐蚀性能的预应力钢筋，将其直接加固到桥梁结构内部，再进行混凝土的浇筑施工，当混凝土强度性能合格后，再进行预应力筋张拉施工，这样才能够提高整体桥梁结构的性能，保证桥梁的稳定性和安全性。有黏结预应力筋与上述方式存在着一定差异，需要设置钢筋结构，和混凝土结构形成黏结作用，形成整体受力结构。