體外預應力設計關鍵技術分析

歐 陽 明

(湖北省交通規劃設計院，湖北 武漢 430051)

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體外預應力設計關鍵技術分析

歐 陽 明

(湖北省交通規劃設計院，湖北 武漢 430051)

介紹了體外預應力的特點，從線形、錨固塊、轉向塊、定位和防震裝置等方面，闡述了體外預應力的設計關鍵點，并以某高速公路連續箱梁橋為背景，探討了體外預應力的加固計算方法，驗證了體外預應力加固的有效性。

預應力，連續箱梁，加固技術，防震裝置

1 體外預應力簡介

體外預應力混凝土是將具有專門防腐蝕保護層的預應力鋼筋布置在梁體的外部(或箱內)，鋼束張拉后，錨固在梁端或中間橫梁上。施加體外預應力常用于在役橋梁加固工程中。

采用體外預應力加固，是具有較好的“主動加固”效果的方法。在眾多的橋梁加固技術中，只有體外預應力技術可以在不改變原橋梁結構形式的前提下增加橋梁的承載能力，大幅度改善結構的安全性能。通過在橋梁結構的受拉區施加體外預應力，使其產生與原橋的不利彎矩方向相反的軸向壓力和彎矩，以抵消部分自重應力減小活載應力，從而提高橋梁的承載能力。

2 體外預應力力學分析

體外預應力的力學圖式與一般意義上的預應力技術并無根本區別，以正截面抗彎承載力計算為例，其力學圖如圖1所示。

加固結構抗彎承載力計算時，應根據截面形狀和中性軸的位置分兩種情況考慮。

(1)

(2)

(3)

(4)

為確保加固后的混凝土梁仍為塑性破壞，式(1)～式(4)中的截面受壓區高度x應滿足如下條件：

x≤ξbhs或x≤ξbhp

(5)

(6)

其中各符號意義和參數取值可參考JTG/T J22—2008公路橋梁加固設計規范相關章節。

3 體外預應力設計

完整的體外預應力的設計包括體外預應力加固計算，體外束布置(線形設計)、體外束轉向塊設計、體外束錨固塊設計、體外束定位、防震裝置設計和體外束防腐設計等等。其中體外預應力加固計算是首當其沖的工作。根據之前對體外預應力的力學圖式分析，因其與一般意義上的預應力技術在力學圖式方式上沒本質區別，使得用橋梁博士等橋梁計算軟件分析體外預應力加固構件成為可能。其難點在于，如何較為精確的測算加固前體內預應力的損失程度和需要增加的體外預應力束的多少。

如果條件允許，在原橋成橋之初就布置了測量永存預應力的應變片，可以實時監控預應力值，上述問題便變得簡單；否則，可以通過裂縫分析法和撓度分析法來反算預應力損失度。其基本原理為：裂縫分析法，對被加固結構橫向裂縫進行統計和分析，過濾因偶然因素引起的裂縫張開后，取其中位數，假定其為預應力損失引起的原結構裂縫從而推斷其預應力損失程度；撓度分析法，對被加固結構下撓量進行觀測，取跨中附近撓度中位數，減去成橋之初時的實際撓度，假定其為預應力損失引起的原結構下撓量從而反推其預應力損失程度。預應力損失程度的推斷是一個不斷假定、試算和綜合考慮的結果。

3.1 體外預應力線形設計

體外預應力一般布置在箱梁內，體外束跨中附近沿箱梁底板內側布置，在分跨點附近，沿箱梁頂板內側布置；在橫向，體外束靠近腹板兩側布置；在錨固端，體外束集中在箱梁橫隔板或新增的錨固塊上布置。體外束在線形上為空間三維曲線，應盡量避免豎彎和平彎同時存在的情形。典型的體外束布置形式如圖2，圖3所示。

在跨中附近，梁高相對較低時，體外束施工相當困難，應盡量順直布置，不宜起彎；在墩頂錨固區，為體外束集中區，特別是通過束和錨固束在此處與橫隔板同時發生關系，體外束每束直徑超過10 cm時，很容易發生體外束“干擾”情形，因此，在空間布置時，應充分考慮體外束之間的距離和體外束布置的直徑。

3.2 體外預應力錨固塊和轉向塊設計

體外束錨固塊有錨固在墩頂橫隔板和錨固在邊跨底板兩種情形體錨固塊。在力學圖式上為一端或兩端固定的懸臂桿件，因而錨固塊與原結構結合面部位承受很大的彎矩，需要同時計算錨固本身和原結構錨固區的受力情況；錨固塊其他部位處于局部承壓狀態。

體外束轉向塊的設計尤為關鍵，特別是轉向塊為混凝土構件時，在轉向部分，體外束產生較大的水平和豎向分力，混凝土承受拉應力非常有限，容易產生裂縫，造成結構的二次破壞，應計算其抗拉承載能力和抗剪承載能力，計算時應忽略混凝土對拉應力的貢獻。

體外束錨固塊和轉向塊通過植筋技術與原結構結合，對植筋的抗拉承載力在設計時應加以限制。

3.3 體外預應力定位和防震裝置設計

因體外預應力技術的特殊性，體外束與原結構梁體在錨固區和轉向區處，體外束和原結構梁體之間可產生自由的相對運動，在活載作用下，體外束更易發生變形、預應力產生徐舒等效應，因此，體外束的自由長度超過10 m時即應設置定位裝置(見圖4)，還應每隔一定距離設置防震裝置。典型的體外束防震裝置見圖5。

4 工程實例

以某高速公路特大橋為工程實例，對體外束加固計算進行分析。

4.1 原設計主橋上部結構基本情況

主橋上部結構為(40+2×60+40)m連續箱梁，預應力混凝土

變截面箱梁，箱形斷面為單箱單室，采用C50混凝土，底寬7.6 m，跨中梁高1.7 m，支點梁高3.4 m，梁底為二次復曲線，邊孔梁端10 m范圍為現澆段，該段梁高1.7 m。主墩箱梁采用掛籃懸臂施工法，箱梁依次按(2×2.5+3×3.0+3×3.5+4.0)m分段施工，中間合龍段長1.5 m，共分為17個節段。全橋為全預應力混凝土構件。

單幅橋面寬13.25 m。

荷載標準：汽—超20，掛—120。

4.2 模型建立

檢測試驗報告指出，該橋底板、腹板下緣、上緣裂縫較多，初步判斷為預應力損失所致。經過試算、分析，選取以下三個模型進行計算。

Ⅰ：原設計模型。Ⅱ：在原設計基礎上，頂板束預應力損失5%，腹板、底板束預應力損失20%。Ⅲ：在模型Ⅱ基礎上布置體外預應力束。橋梁模型如圖6所示。

4.3 計算結果匯總

計算結果見表1～表5。

表1 承載能力極限狀態

表2 全橋正壓應力最大值 MPa

表3 全橋正拉應力最大值(壓為正，拉為負) MPa

4.4 計算結果分析

由以上計算結果分析可知，原橋預應力損失(頂板預應力損失5%，底板預應力損失20%)后，全橋正常使用極限狀態不滿足規范要求，底板下緣最大拉應力達2.4 MPa，在此工況下箱梁必將產生裂縫，而且會隨著各種偶然因素影響繼續開展，也與檢測試驗報告的結果是相一致的；拉體外束后，主橋各方面指標有了較顯著的改善，特別在正常使用極限狀態下，底板下緣不產生拉應力，且有2.7 MPa～4.8 MPa的壓應力儲備，為全橋安全運營提供了一定的安全儲備。

表4 全橋主壓應力最大值 MPa

表5 全橋主拉應力最大值(壓為正，拉為負) MPa

5 結語

體外預應力技術是一種靈活的主動加固技術，相對于其他常規的橋梁加固措施，體外預應力技術可以主動改善結構的應力狀況，大幅度改善結構的安全性能。本文以橋梁加固工程實例為背景，介紹了體外預應力加固設計的關鍵技術，詳細介紹了體外預應力加固計算對結構應力指標改善的情況，進一步驗證了體外預應力加固的有效性，對類似的橋梁加固工程有著一定的參考價值。

On key technical analysis of external prestressed design

Ouyang Ming

(HubeiCommunicationsPlanningInstitute,Wuhan430051,China)

The paper introduces the features of the external prestress, illustrates the key points for the design of the external prestress from the linear, anchor block, deviator, positioning and seismic equipment, explores its consolidation calculation methods by taking the continuous box girder as the background, and proves it is effective.

prestress, continuous box girder, consolidation technique, seismic equipment

1009-6825(2016)22-0159-03

2016-05-29

歐陽明(1981- )，男，碩士，工程師

U448.35

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