體外預應力加固技術在橋梁結構加固中設計研究分析

楊媛媛

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

體外預應力加固技術在橋梁結構加固中設計研究分析

楊媛媛

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

體外預應力技術具有施工簡單、結構可靠、造價經濟等優點,在新建的橋梁結構中得到廣泛應用。大量的舊橋由于鋼筋銹蝕以及超載等因素的影響,結構產生裂縫或變形過大,或者由于公路橋梁荷載提級的要求需要進行加固。介紹體外預應力加固橋梁結構體系的構造、體外預應力轉向裝置配筋設計及質量監控技術措施。

橋梁；體外預應力加固設計；錨固系統

1　概述

體外預應力系統主要包括：體外預應力孔道管、漿體、體外鋼束、錨固系統、預應力筋減振系統、預應力筋的轉向裝置。體外預應力技術經過近20多年的發展，目前已經形成了兩種主要體系。體系一：將鋼絞線穿入孔道管內進行鋼絞線的張拉，鋼絞線張拉完成后，將孔道內灌入水泥漿，這種方法稱為有黏結體外預應力體系；體系二：體外預應力筋由若干單根無黏結筋組成，將單根無黏結筋平行穿入孔道內，在張拉無黏結筋之前，先完成灌漿工藝，由水泥漿體將單根無黏結筋定位，然后進行無黏結筋的張拉。這種體系稱為無黏結體外預應力體系。

體外預應力系統中各組成部分一般應滿足如下要求：

（1）體外預應力筋宜選用高強度低松弛預應力鋼絞線，其性能應符合現行國家標準《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224-2014）的規定，如體外預應力筋為無黏結的體外預應力筋還應符合《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50-2011）第7.10節的要求。

（2）體外預應力筋的其他材料（保護套、防腐漿體等）應符合現行國家、行業的有關標準，防腐油脂質量應符合《無黏結預應力筋專用防腐潤滑脂》(JG 3007-93)的規定，水泥基漿體質量應符合《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB 50204-2002)的規定）。

（3）防腐蝕材料的耐久性與體外束所處的環境類別和使用年限一致；防腐蝕材料在加工、運輸、安裝、張拉工程中應具有穩定性、柔性，不產生裂縫，在所要求的溫度范圍內不流淌，不對鋼絞線產生腐蝕作用。

（4）體外預應力束外套管和連接接頭，應完全密閉防水，套管應能承受1 MPa的內壓，在使用期內具有良好的耐久性。

（5）轉向塊的偏角制造誤差應小于1.20，安裝誤差應小于±5%，否則應采用可調節轉向塊。

隨著新技術和新材料的發展以及對耐久性能認識的深化，國內外知名的預應力體系如國內OVM體系、瑞士的VSL體系、法國的Freyssine體系等通過研發與工程實踐，不斷地提升體外預應力體系的質量，帶動了體外預應力在橋梁加固工程中的發展和提高[1]。

2　體外預應力加固橋梁結構體系的構造

2.1體外預應力結構的錨固系統

體外預應力錨固體系主要由錨具、錨固塊及鋼墊板等組成。錨固體系一般可以分為可更換式和永久式兩大類。

2.2體外預應力結構的減振系統

梁體與體外筋的振動特性是體外預應力結構研究的一個重要問題。由于體外預應力筋僅通過轉向塊和錨固端向混凝土梁體施加預應力并傳遞加載過程中力的變化，而在轉向塊之間未受到約束，故同體內預應力筋不同，它將產生獨立于梁體的變形和振動。研究體外預應力結構振動特性的目的，主要是研究在動力荷載作用下進行體外預應力結構設計時，保證梁體自振頻率、體外預應力筋的固有頻率與外動力荷載的頻率不同，避免三者產生共振[2]。體外預應力加固梁的振動涉及兩方面的內容：梁體的振動；體外預應力索的振動。

2.3體外預應力筋的轉向系統

體外預應力橋梁中的體外預應力筋的轉向裝置是一種特殊的構造，除了錨固系統外，它是體外預應力筋在梁跨內唯一與預應力受力結構有聯系的構件，承擔著體外索的轉向功能，是體外預應力橋梁中最重要、最關鍵的結構構造之一。體外預應力混凝土結構的預應力筋必須通過轉向塊改變預應力筋的方向，從而形成預應力折線筋。轉向塊由于受較大的集中力及與預應力筋的摩擦力，受力較復雜。根據作用形式的不同，轉向裝置的傳載模式分為兩種基本形式：一是承壓型，主要以壓力的形式將體外索的荷載傳遞給原結構，一般用于矩形、T形梁和箱梁的橫向加固；二是剪切型，主要是以剪力的形式將體外索的荷載傳遞給原結構，一般用于箱梁的縱向加固。

3　體外預應力轉向裝置設計

3.1轉向裝置配筋設計

在混凝土梁橋的設計計算中，國際工程界趨向于將結構劃分為B區和D區分別對待。B區是指截面應變分布基本符合平截面假定的結構區域，它們的截面應力狀態可以通過內力得出。在未開裂時，截面應力可借助于截面特性（如面積、慣性矩等）來計算；開裂后，則可應用桁架模型來分析。D區是指截面應變分布呈現明顯非線性的結構區域，這些部位具有幾何構造上的不連續或力流受撓動的特點，在我國目前的混凝土橋梁設計規范中，主要針對混凝土梁橋的B區，按受彎構件來設計，其正常使用極限狀態和承載能力極限狀態的計算均以截面分析為基礎，對于混凝土梁橋的D區設計問題，幾乎沒有涉及[3]。橋梁工程的實踐表明，由于D區在幾何構造和受力上的復雜性，加上缺乏規范的設計指導，使得憑經驗設計的D區常常出現結構性裂縫。同濟大學徐棟、長沙理工大學李傳習等，應用拉壓桿模型進行了體外預應力橋梁轉向結構分析及配筋的設計研究，其主要思路是：采用有限元法對轉向體系進行空間應力分析，獲得其應力分布特點，指出結構的D區；根據力流傳遞形式，結合拉壓桿模型方法，建立轉向體系拉壓桿配筋計算模型；根據配筋計算模型，并考慮裂縫寬度限制要求，對拉桿進行配筋設計，對壓桿和結點進行應力驗算，確定結構的幾何尺寸；由于體外預應力筋的轉向點一般與兩端錨固點不在同一豎直平面內，轉向點承受由張拉預應力筋引起的豎向分力與水平力，當不計體外預應力筋與套管之間的摩擦損失時，在張拉力F作用下，體系的受力如圖1所示。對于受拉型塊式轉向裝置，可能出現三種破壞模式：箍筋的受拉破壞；力筋套管上層鋼筋產生的梁作用破壞；水平力Q沿套管下方產生的剪切破壞。根據其受力特點及破壞機理，得出其拉壓桿模型，如圖2所示。

圖1　轉向塊受力示意圖

圖2　轉向塊的拉壓桿計算模型

3.2鋼結構錨固轉向體系構造設計

3.2.1錨固體系

鋼結構形式的體外預應力錨固體系主要由底座鋼板、橫隔板、傳力鋼板、加勁鋼板、錨墊板、鋼管、黏貼鋼板、錨栓以及灌注型黏結鋼膠等組成。根據橋梁構造、安裝位置和體外預應力需要的不同，鋼錨箱的構造形式也不同，經過仿真分析和多個加固工程的實踐、完善，鋼錨箱可以相互融合，根據橋跨構造、安裝位置和預加力的需要另行設計。因此，鋼結構錨固體系的使用范圍非常廣泛。

3.2.2轉向體系

鋼結構形式的轉向體系由轉向支架、轉向器和連接措施組成。轉向支架形式是比較常用的方式，包括了箱梁內凈高1.0～3.5 m、體外預應力鋼束轉向和通過2～10束的情形，其中，E類為直接在頂、底板的梗腋用型鋼連接，適用于箱梁高度較低的情況。由于體外預應力加固連續梁橋時，一般需要新增的轉向位置是處于橋跨的1/4～1/2處，墩頂位置可借助于橫隔板實現，也可根據需要另行設計。其中，各類轉向器構造和外觀尺寸基本相同，內部構造尺寸根據體外預應力鋼絞線的線形設計；與既有橋跨的連接措施主要是尺寸和錨栓數量不同；轉向支架則由于箱形截面尺寸、體外預應力鋼束穿過束數和位置多變，以及施工工人現場通過的需要，結構形式變化較大。

3.2.3質量監控技術措施

在進行體外預應力張拉施工時，需要對鋼結構錨固轉向體系進行安全性和可靠性方面的監控。與轉向體系相比，錨固體系因結構復雜、承受荷載較大，需對其重點監控。錨固體系試驗監控的內容：監控目標值，通過仿真分析獲取；試驗實測值，通過在現場安裝傳感器獲取。建立錨固體系的仿真分析模型，如圖3所示。模型的構造及尺寸與實際應用的相同，無簡化處理，包括鋼錨箱、黏貼鋼板、灌注膠、螺桿和梁體混凝土部分，其中除螺桿用三維梁單元外，其他材質均為20節點塊單元。分析時應用子模型技術，即先進行全橋整體分析，然后將邊界條件引入到子模型中。利用仿真分析模型，首先對錨固體系的承載力進行檢驗，例如在設計預加力張拉鋼絞線至55%標準強度的作用下，分別考慮底面鋼板與原結構之間膠體理想參與工作和完全退出工作兩種狀態，各個螺桿分配到的剪力和拔力，而實際單個螺桿的抗剪和抗拔承載力通過試驗獲取分別為100 kN和50 kN。同樣考慮螺桿理想參與工作和完全退出工作兩種狀態，膠體承受的最大剪切應力同樣小于其容許剪切應力。

4　結語

體外預應力加固技術中新型鋼結構錨固轉向體系與鋼筋混凝土錨固轉向塊相比具有較多的優勢。根據其在實際工程中的應用情況，結合仿真分析和現場監控可知，新型鋼結構錨固轉向體系安全可靠，但現場施工要嚴格遵循合理的施工工藝和步驟，并在體外預應力鋼束張拉過程中實施監控。

圖3　仿真模型及錨栓內力

[1]范秀君.石咀橋體外預應力加固技術研究[D].蘭州：蘭州交通大學,2012.

[2]許威.連續剛構橋體外預應力加固關鍵技術研究[D].重慶：重慶交通大學,2013.

[3]胡彥君.重載鐵路橋梁體外預應力加固法的關鍵技術研究[D].北京：北京交通大學,2015.

U445.7+2

B

1009-7716（2016）10-0068-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.021

2016-06-28

楊媛媛（1979-），女，安徽宿松人，高級工程師，從事道路橋梁設計工作。