简析公路桥梁施工中体外预应力加固技术
2015-09-07
1、工程实例
某公路桥梁全长120 m，桥面宽度 8m，修建于 20世纪 80年代初，由于养护不当与超载使用。现阶段下缘混凝土破损，部分混凝土脱落，已出现纵向主钢筋已严重锈蚀。随着交通量的增长，桥面已出现下沉，偏差原来桥而设计标高。为了保证不长期中断交通，研究决定采用体外预应力技术加固桥梁。采用体外预应力加固技术，可以通过预应力水平钢丝束对被补强梁施加水平预应力，改变受弯梁构件内力图式，在支座处产生附加弯矩，抵消了部分恒载弯矩，减少梁的跨中弯矩，提高了被补强梁的正截面抗弯强度、抗裂性和刚度。预应力张拉完成后，喷射混凝土增加梁截面厚度来提高梁支座附近斜截面的抗剪强度，并可包裹预应力钢丝束，防止钢丝束锈蚀。
预应力材料: 预应力钢丝采用高强度低松弛钢束，由锚下垫板: 采用 3号钢，板厚 30 mm，平面尺寸200 mm×740 mm;喷射混凝土: C30混凝土。
2、体外预应力的概念及优点
2.1体外预应力的概念
体外预应力技术，是指将预应力筋布置在结构构件截面之外的预应力技术，是后张预应力体系的重要分支之一。采用体外预应力技术加固混凝土结构时，体外预应力束一般采用折线形按在梁的跨中部分，体外预应力束布置在腹板下缘，在离支座约 1/4L 处，束向上弯起，锚固在梁的两端。采用体外预应力技术加固某简支梁结构的示意图如图1所示。
2.2 体外预应力加固技术优点
相对于传统的体力预应力加固技术，体外预应力加固技术有如下优点。
(1)施工快速、简单，无需改变加固梁截面大小，不会增加结构自重;
(2)在施工过程中，无需封锁交通，原结构仍可使用，减少交通压力；
(3)由于预应力束基本不占用结构空间，不会因为预留孔的存在而降低结构的承载能力；
(4)由于预应力筋在混凝土截面之外，能方便检查人员对预应力束进行维护和应力检测；
(5)体外预应力束在工厂定制，质量有保证。
3、选用桥梁加固方法的原则
由于我国还处于发展中国家，基础设施的建设还不完善。国家的发展还需要大量的资金。如何在有限的资金范围内实现桥梁维修加固就有非常现实的意义。现在对桥梁实行维修加固一般采用的原则是: 在维修加固前，先制作一份关于桥梁的劣化程度与受损情况报告，进行检测并详细记录数据。依据实际报告对桥梁进行安全性能评估，确定桥梁实际的运输能力，判断损伤情况是否影响桥梁的承载力和耐久性。承载力指的是桥梁结构承受在设计初确定的荷载能力，耐久性指的是桥梁的结构设计寿命；在加固时考虑原材料的耗费，施工的进度，是否会影响交通运输，能否提供桥梁的承载力和耐久性等方面；通过加大桥梁构件来提高整座桥梁承载能力，一般不改动桥梁结构的原有形式。确保桥梁加固的前提下兼顾施工的经济性，只有在遇到极其复杂的情况下，才可考虑更改桥梁原有的结构形式。在采用科学合理加固方式，桥梁的承载力和耐久性仍不能达到改造后的要求，则需要考虑对桥梁的局部或整体进行重建；在选择桥梁加固方式时，要结合旧桥的现状，桥梁是否出现承载能力减弱，以及日后通过该桥的交通量，可以参考已经成功完成加固桥梁的施工方案；如果采取扩大和增加桥梁的构件断面来进行加固，必须考虑增加部分和桥梁本身的结合效果。
4、体外预应力加固组件
从加固所用主要材料看，有高强螺纹钢筋，预应力高强钢丝束钢丝绳及型钢等，从构造形式主要有下几个部分组成:
4.1水平筋，亦称水平拉杆，多由高强钢丝或钢丝绳、螺纹粗钢筋组成。其作用是在梁底部位施加纵向预应力，从而对梁体产生反向弯矩，以抵消部分自重及活载产生的正弯矩、提高梁的承载能力和防止梁截面底部开裂；
4.2斜筋，亦称斜杆，由槽钢或高强粗钢筋做成，作用是提高梁端部的剪力，从而提高梁的承载能力；
4.3转向块，当斜筋和水平筋不为一根钢筋时，需用转向块将其联结为一体。转向块的基本作用是斜筋和水平筋之间力的传递、固定折点位置并使斜筋的坚向分力位于梁底，与锚固点处的坚向力一起作用，使梁端部位形成负弯矩和负剪力；
4.4锚固点，有梁端锚固、梁顶锚固和腹板锚固；
4.5 U型承托，当采用型钢作为斜杆或以一根钢丝绳取代斜筋和水平筋时，利用距离梁端的第一个横隔板作为坚向支承，并兼作斜筋和水平筋的转折点；
4.6水平筋固定支座，用以减小水平筋的自由长度，从而起到减振作用，该装置对于跨径较大的体外索加固技术尤为重要。
5、体外预应力加固施工常用方法
5.1横向收紧张拉法
钢筋混凝土或预应力混凝土梁的两端间隙很小时，为了避免在梁的端部张拉，一般采用横向收紧张拉法。此法是在梁的下缘对称梁中线安装预应力筋，在距梁端适当距离处弯起并通过支点锚于梁端的锚固钢板上，锚固钢板呈U形套在梁端的下翼缘上。水平段的预应力筋用撑棍分成若干段，两端的撑棍还起到支点的作用。在每段中点用拉紧螺栓将两对称筋收紧，收紧的过程中拉杆即产生预应力，结果梁受到锚固钢板传来的预压力和预应力筋产生的负弯矩由于体外索多为水平的直线形，在梁的两端向上弯曲不多，因而这种加固方法只能有效的减小梁中的正弯矩，而对减小梁端的剪力帮助不大。
5.2纵向张拉法
纵向张拉法是沿预应力筋的轴线施加预应力的方法。预应力筋沿梁底布置，到梁的两端设导向块处弯起，锚固于梁的腹板或顶板上，再沿梁底或梁顶进行纵向张拉，以减小梁端的剪力。纵向张拉锚固构造主要有两种，梁顶锚固和腹板锚固。体外预应力筋张拉方法与其构造形式有关，张拉位置可以在梁顶沿斜筋方向张拉，亦可在梁底沿水平方向张拉。其张拉程序与预制混凝土梁的相同。
5.3竖向顶撑张拉法
在梁端底部设置U形钢锚固板，沿梁底设置拉杆，拉杆两端焊在钢锚固板上，在梁的1/4跨径及跨中（或跨间横隔板）位置设置张紧夹具，张紧夹具安装在固定于梁腹或横隔板上的承托架上给拉杆施加预应力，当拉杆达到设计应力值后，用钢筋混凝土垫块在拉杆与梁底面加紧，以固定拉杆位置并保持张拉力，卸除张紧夹具和承托架并做好拉杆的防锈处理。预应力钢丝束加固法。一般沿梁肋侧面按某种曲线（抛物线等）线形设置预应力钢丝束。为保持曲线线形并固定钢束位置，在梁底每隔一定间距（50～100cm）设置一个定位箍圈（有梁底向上兜），或者在梁肋侧面埋设定位销。钢丝束的两端头则穿过梁端翼缘板上的斜孔伸至梁顶锚固。为防止钢丝束锈蚀，预应力钢丝束应放在保护导管内或张拉后在钢丝束周围用混凝土包裹。
6、施工总结
6.1 张锚体系的保护
对张锚体系的构建应该从多个方面开展工作，把无粘结钢绞线当成体外预应力索，积极采用外裹油脂和塑料护套能对预应力索加以保护。从而增强了整体结构的使用性能，张锚体系两端的锚具和防松套选择玻璃丝布缠包油脂实施防范。
6.2 防松套
工程施工中采用的大部分均为单孔夹片式锚具，设计控制索力在100kN，120kN，这时小范围的应力拉索。考虑到桥梁正常使用中面临的振动荷载较大，若不采取措施处理则容易导致锚具中的夹片放松，情况严重时造成锚具失锚。为避免这类意外的出现，此次研究使用了夹片防松装置—防松套。并且需要将弹簧垫圈设置于防松套与锚具夹片之间，这样才能保证整体结构的完整性。
6.3 钢销栓和转向块
此次研究的工程中，钢销栓和转向块是最为重点的结构。在施工是必须要达到相应的标准：
（1）达到张锚体系锚固及传力作用的需要，在传递预应力的控制上要达到要求。
（2）结构混凝土受到应得的荷载作用之后，应保证销栓对混凝土孔壁取得理想的挤压力，保证销栓的尺寸与实际标准相符合，这样才能达到混凝土结构标准的要求。
（3）在索力的影响下，锚具的锚环带来了一定的挤压力会影响到整体结构的稳定性，这就需要维持与体外索垂直。
（4）销栓要保证达到抗弯、抗剪承载能力的标准要求，维持锚环安装结束后能与预应力大小相适应。
7、结语
通过以上论述，体外预应力加固法，不仅使桥梁得到加固，还减小及卸载结构内力间的作用，因此体外预应力加固技术在公路桥梁施工中得以广泛应用，同时它也是值得推广的，，它所拥有的很多优点是普通加固技术所无法相比的，体外预应力加固技术进一步完善了我国公路桥梁的施工技术。
