舊橋加固中的體外預應力應用

廖 倩,田 寧

(四川建筑職業技術學院，四川德陽618000)

橋梁是確保公路暢通的咽喉，其承載能力和使用性能又是貫通全線的關鍵。隨著橋梁使用時間的增長，不可避免地會出現功能衰減、結構老化和破損的情況，或者因設計失當、施工質量差導致使用性能降低。如果橋梁出現了上述情況而又沒得到及時有效的維修養護時，其使用性能將會受極大影響，一旦出現結構性破損，嚴重時有可能造成橋梁坍塌等災難性的后果，對人們的生命、財產安全將會造成巨大的威脅。所以，認真分析導致橋梁損壞的原因，并有計劃、有步驟地采取相應的維修加固措施，用較小的資金投入，達到延長橋梁的使用壽命且滿足交通量的需求，是我國公路建設發展中具有戰略意義和深遠影響的迫切任務。

1 體外預應力理論計算

體外預應力按無粘結預應力混凝土理論計算，無粘結部分預應力混凝土是指采用無粘結預應力筋和普通鋼筋混凝土配筋的部分預應力混凝土。無粘結預應力筋與混凝土不直接接觸，不能形成一個均勻的整體，而是無粘結狀態。在外荷載作用下，該結構中預應力筋束與混凝土橫向、豎向存在線變形協調關系，在縱向可以相對周圍混凝土發生縱向滑移。無粘結預應力混凝土的設計理論與有粘結預應力混凝土相似，增設的普通受力鋼筋是為了改善其結構的性能，避免構件在極限狀態下產生集中裂縫。

1.1 預應力鋼筋數量估算

設計彎矩M對截面受拉邊緣混凝土產生的拉應力：

σw=M/W

(1)

有效預加力：

(2)

預應力筋截面積：

Ay=Nye/σye

(3)

式中:Ah、Wh為分別為計算截面混凝土毛截面積及對受拉邊緣的截面抵抗矩；ey為體外力筋兩錨固合力點連線至凈截面重心軸的距離；[σl] 為混凝土容許出現的拉應力；σye為扣除全部應力損失后的預應力鋼筋有效預應力。

對A類構件，設計彎矩M取恒載彎矩Mg與活載彎矩Mp之和，并取[σL]=0.8RLb；對B類構件，設計彎矩M取恒載彎矩Mg，并取 [σL]=0。

體外折線形預應力筋為通長布置，以最大彎矩截面為控制截面估算截面積。

為方便設計，按照荷載短期效應組合作用正截面混凝土的應力狀態，將部分預應力混凝土分為以下兩類。

A類：正截面中混凝土的拉應力不超過限值，受彎構件拉應力限值為0.5γftk。

B類：正截面中混凝土拉應力超過拉應力限值。

1.2 加固體系的裂縫驗算

用體外預應力筋加固的鋼筋混凝土梁，雖然受力特性屬于部分預應力混凝土結構，但其抗裂性則由于預應力鋼筋在梁體之外，與混凝土無粘結作用，更趨于鋼筋混凝土梁的性質。再者部分預應力混凝土梁的非預應力鋼筋應力σg是從消壓狀態開始計算的，因此加固后橋梁的裂縫寬度計算仍采用現行橋規中鋼筋混凝土梁的裂縫計算公式，即

(4)

式中:C1為考慮構件受力特征的參數，對于受彎構件，取C1=1.0；C2為考慮鋼筋表面形狀的系數，粗鋼筋取C2=1.0；C3為考慮荷載作用的系數，荷載長期作用或多次重復作用時，C3=1.5。

各參數均按公路橋規取用。但在配筋率μ的計算中只考慮原梁中的非預應力筋的面積Ag；換算直徑d0也僅由原梁中的非預應力筋直徑計算。

考慮到被加固的梁為鋼筋混凝土梁，其內多配置非預應力筋。因此，在上式的允許裂縫寬度[δf]仍然按鋼筋混凝土結構考慮。

2 橋梁加固施工方案及操作要點

2.1 體外預應力束的線形布置

文章以某橋的T構箱梁為例進行介紹，將體外束均布置在T構箱梁空洞內部，采用折線形布置。為滿足箱梁正截面抗彎強度以及抗剪強度要求，按照雙懸臂梁受彎的特點，體外束布置在頂板下緣，并且通過設在牛腿上的錨固塊錨固在箱梁懸臂的兩端。

2.2 體外束的材料和張拉力

預應力鋼束采用10φ15.2高強度低松弛鋼絞線，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa,E=1.95×10 MPa,鋼束的錨下張拉控制應力σcon=0.55,fpk=1 023 MPa,單根鋼絞線張拉力為140.4 kN，伸長量為330 mm。

2.3 橫隔墻、縱梁及錨固塊施工

每個T構的一端設置一個橫隔墻、四道縱梁和四個錨固塊。橫隔墻和錨固塊為C50的聚丙烯混凝土，錨固塊為普通的C50混凝土。新舊混凝土通過在原結構混凝土表面鑿毛、種植鋼筋并涂刷界面劑將其有效結合為一體。施工工序及要求如下：

(1)測量放線。用經緯儀在箱內按照鋼絞線的設計線形進行精確放線，準確定出每個橫隔墻、縱梁和錨固塊的縱橋向和橫橋向的中心線，從而確保每個部位位置精確，同時也保證了預應力鋼絞線的線形。

(2)裂縫處理及溝槽鑿出。在橫隔墻、縱梁和錨固塊施工前，對施工部位的梁體結構進行裂縫檢查，當裂縫大于0.15 mm時，則進行灌膠處理。在裂縫注膠處理完畢且膠體強度達到100 %后，將混凝土表面鑿毛，清除浮漿，露出新鮮混凝土，并在原有鋼筋網的空當處間隔一定距離鑿出約3 cm的剪力槽，以進一步增強新舊混凝土的連接。

(3)植筋、鋼筋施工。植筋鉆孔時應先用鋼筋探測儀探測出原結構中預應力筋和普通鋼筋的位置，如有沖突，則適當調整植筋鉆孔的位置。植筋施工養護完畢后，用高壓水沖洗老混凝土表面松散物和浮塵，露出堅實層。待水晾干后，酒精將新舊混凝土接觸面擦拭干燥，涂刷界面膠。界面膠涂刷厚度要均勻，厚度控制在2 mm左右。

如鋼筋與預應力管道有沖突，則適當調整鋼筋的位置。

(4)轉向器與預埋管的安裝。按照設計圖安裝各轉向架和錨固塊的轉向器和預埋管。在安裝過程中，控制各部位的橫橋向和縱橋向的尺寸，不能超出設計和規范的要求，特別是轉向器的角度，應嚴格控制其精確度。如果轉向器位于墩頂橫隔板上，則采用水鉆開孔，安裝好以后，將轉向器與原橫隔板間的間隙用自密實補償混凝土(或砂漿)填塞密實。

2.4 體外預應力施工

2.4.1 預應力束的下料與安裝

為防止預應力束在下料過程中導致PE管損傷，則需要在現場準備若干定滑輪與動滑輪，在現場下料時將鋼絞線放在滑輪上。在穿鋼絞線時采用定滑輪與動滑輪組合的方式，保證鋼絞線在穿送過程中HDPE外包管不受損傷。

2.4.2 預應力束張拉

(1)張拉力：依據設計要求，每束張拉力為1 404 kN。

(2)張拉千斤頂： YCW-250A，4臺。

(3)張拉順序：先張拉靠近外腹板的鋼束，再張拉靠近箱梁中心線鋼束。

(4)張拉原則：兩端對稱張拉，即在同一束鋼絞線上，采取兩端張拉；在同一幅橋沿箱梁縱向中心線左右對稱的兩束鋼絞線，為防止梁體受扭，必須4臺千斤頂同步張拉。張拉前調整千斤頂位置使其張拉力作用線與預應力筋的軸線重合。

(5)張拉控制：采取張拉力和伸長量雙控的原則，以張拉力為主，伸長量為校核，實際伸長值與理論伸長值的差值控制在±6 %以內，超出誤差時，現場暫停張拉，報于設計和監理人員，待查明原因并采取措施予以調整后，再繼續張拉。

(6)分級張拉：先張拉至初應力(10 %σk)，然后分級加載至20 %、50 %、80 %、100 %σk，持荷2 min，回油自錨，退頂。張拉過程注意記錄鋼絞線伸長量，伸長量從拉至初應力時開始計起，計算實際伸長量時除實測伸長量外，尚需計入初應力時的推算伸長值。張拉程序如下：

(7)補拉: 預應力束全部張拉完畢后，最先張拉的預應力束會發生預應力損失，應對其進行補拉，使其達到設計要求的控制應力。

2.4.3 張拉注意事項

(1)轉向塊和錨固塊混凝土的強度和彈模均達到100 %后才能進行張拉作業；

(2)張拉時橋上嚴禁一切車輛行駛；

(3)張拉結束后，預應力束應留有足夠的錨固工作長度，為防止以后預應力松弛等情況下可以進行再次補拉；

(4)千斤頂和油泵等張拉機具應由專人使用和管理，并應經常維護，定期檢驗；

(5)為避免預應力束自有長度較長時產生振動，在梁段內設置防振裝置。

3 結論

本文結合某公路大橋體外預應力法維修加固的工程的實例，探討了橋梁體外預應力法加固設計，并系統地介紹了體外預應力法在橋梁加固中的施工要點、難點及重點，提出了解決施工問題中的方法及操作要點。通過工程實例，表明體外預應力加固法具有施工方便、可靠，預應力筋(束)可以單獨防腐甚至可以更換等特點，可以為類似橋梁的體外預應力法維修加固施工提供參考。