有关道路桥梁预应力加固技术的施工探讨
2015-08-17
随着我国交通量的不断增加，为了适应道路运输载重量的要求，桥梁的混凝土开裂、剥落、衰变及钢筋的锈蚀对桥梁造成的损害日益严重，需要大量的资金来维护或改建，以便提高既有桥梁的耐久性、及对缺陷桥梁进行加固改造，延长其使用寿命。加上有一部分按照原有设计标准建成的桥梁，已经不能满足正常使用要求，严重阻碍了交通运输业的发展。将旧桥危桥拆除重建的想法既不现实也不科学，体外预应力加固技术是种十分有效的加固方法。
一、预应力加固技术的发展现状
道路桥梁结构由于自然老化、自然灾害、设计局限、施工缺陷等因素，造成现有桥梁中的相当一部分满足不了使用上的要求。实践经验证明，采用合理可靠的桥梁加固措施，对恢复和提高桥梁的承载能力及通行能力，延长其使用寿命，是非常合理和可行的。由于体外预应力技术具有结构自重轻，预应力筋替换、维护方便，预应力损失和应力变化幅度小，施工工期短，混凝土质量高、耐久性强等优点，已被广泛地应用于混凝土桥梁结构的加固维修。
体外预应力技术是后张预应力体系的分支，它对置于混凝土截面之外的预应力筋进行张拉，通过体外筋端部锚具和转向块将预应力传递给混凝土结构。利用张拉预应力筋产生的内力来抵消控制截面处的部分或全部恒、活载内力，实质是对结构控制截面进行卸载。相对于被动加固法的增大截面加固法，体外预应力加固梁身自重增加很少，但能大幅改善调整原有结构的受力情况，提高承载力和抗裂性能，对桥墩及基础影响也很小，同时对桥梁交通影响不大，可节约维护成本。体外预应力加固法与梁底增焊钢筋的加固方法相比，不需清凿混凝土保护层，且损伤梁体程度小，加固时不影响或少影响交通，能恢复或提高桥梁的荷载等级，经济效果较明显。但对于梁体外的预应力筋和有关构件应采取切实有效的防护措施，否则在温度、腐蚀等外界条件作用下，容易造成预应力筋断裂而使加固工作失败体外预应力加固梁式桥，实际上亦是改变了梁体原有受力体系的加固方法。
二、体外预应力加固技术的构造分析
体外预应力是指对布置于承载桥梁结构本体之外的钢束张拉而产生预应力。设计时仅把钢束锚固区域设置在桥梁结构本体内，转向块可设在桥梁结构体内或体外。体外预应力体系由管道、浆体、锚固体系和转向块等部件组成。体外预应力体系分为有粘结体外预应力体系和无粘结体外预应力体系。有粘结预应力体系是将钢铰线穿入孔道内张拉后，向孔道管内灌入水泥浆。无粘结预应力体系的体外预应力筋由若干单根无粘结筋组成，将单根无粘结筋平行穿入管内，张拉之前，先完成灌浆工艺，由水泥浆体将单根无粘结筋定位，张拉后不灌入水泥浆。根据受力特点，分为施加预应力阶段和活载作用两个阶段进行受力分析。
体外预应力结构在施加预应力阶段，应先将斜筋和滑块相连接，并固定斜筋的上端。在张拉水平拉杆时，由于千斤顶的推力作用使梁底两滑块产生相向滑动，这种相向滑动使得斜筋受拉并伸长，同时在滑块和垫板之间产生竖向压力和摩阻力，直到水平筋的拉力达到控制值。斜筋产生的水平分力对梁施加偏心压力，其竖向分力则对梁体产生负弯矩和负剪力。这些预加力使梁体内储备了一部分抗力，可以部分地抵消外荷载引起的内力，从而提高原梁的承载力。
体外预应力结构在活载作用阶段，活载作用时，梁体产生弯曲变形，水平筋中的拉力增加，并使斜筋中的拉力、垫块对梁体的正压力及摩阻力均发生变化。由于体外预应力结构的构造形式不同，特别是滑块的构造不同，直接影响各拉杆内力增量间的平衡关系。如按有水平移动的滑块或无滑块情况考虑，取滑块为隔离体。
三、预应力技术在加固桥梁中的应用研究
1、体外预应力技术特点
（1）能在结构使用期内检测、维护和更换；
（2）由于预应力筋与混凝土截面分离，既提高了混凝土本身的施工质量，又方便了预应力束的施工，并提高其施工质量；
（3）束形简单，摩阻损失小。
体外预应力技术具有以上特点，而在桥梁加固中得到广泛的应用。
2、体外预应力加固方法的特点
（1）能较大幅度提高或恢复桥梁的承载能力和抗裂度，加固效果明显；
（2）施工工艺简单、干扰交通少、所需设备简单、人力投入少、工期短、经济效益明显；
（3）对原结构损伤小，可做到不影响桥下净空，不增加路面标高；
（4）预应力加固需要可靠的防腐措施。
3、体外预应力加固的力学特点
预应力加固方法实际上是使被加固结构成为一个带柔性拉杆的超静定结构，与其它预应力结构或其它加固方法不同的是：加固前桥梁所受荷载由恒载和活载组成，预应力筋的张拉控制值是在上部结构的恒载作用下读取的，即带载加固。因此在计算预应力筋荷载作用下的应力增量时，应仅考虑活载的作用。另外应注意，对于体外预应力混凝土结构，任一截面处预应力筋的应变变化值与该处混凝土的应变变化值并不相同，类似于无粘结预应力筋。
4、体外预应力加固的适用条件
（1）适用于正截面受弯承载力不足或正截面受拉区钢筋锈蚀的情况；
（2）适用于梁抗弯刚度不足导致梁的挠度超过规范规定，或由于刚度太小导致梁的受拉区裂缝宽度超过规范规定的情况；
（3）适用于梁斜截面受剪承载力不足的情况。
5、体外预应加固的不利影响
（1）预应力加固完成后，由于预应力的作用，原来的受力结构会出现不同程度的卸载现象，导致原结构发生内力重分布；
（2）由于预应力筋转向块和锚固点处存在巨大的集中力，这一区域的受力比较复杂；
（3）由于预应力筋一般布置在梁截面外部，易受环境（如温度、酸性气体等）的影响；
（4）预应力筋一般不能参与局部裂缝控制。
四、预应力施工中的主要问题及措施探讨
目前国内外使用的预应力钢材主要有预应力钢筋、冷拉预应力钢丝、矫直回火预应力钢丝、低松弛预应力钡丝、普通预应力钢绞线和低松驰钢绞线。作为预应力钢材最新一代的低松弛钢绞线由于其高效、经济、施工方便，使建筑构件轻薄美观的优点，已大量使用在世界各地最重要的建筑工程上。
预应力混凝土桥梁预应力体系的设计通常采用OVM和XYM体系。该体系的顶板纵向钢束均采用平竖弯曲相结合的空间曲线，集中锚固在腹板顶部承托上，底板钢束则尽可能靠近齿板处锚固。这样布束使预应力具有最大力臂，较大限度地发挥力学效应，同时由于布束接近腹板，预应力以较短的传力路线分布在全截面上。顶板束锚固在承托中，不需设置复杂的齿板构造，使箱梁尺寸完全由受力需要来控制设计。顶、底板钢束在平面上按同样的S线型锚固于设计位置上，可以消除集中锚固点产生的横向力。
在预应力混凝土结构设计实践中，通常是根据经验先假定预应力钢束的分布图，而后进行应力分析，检查结构各部截面的应力状态，当不能满足要求时，则改进钢束分布，经过多次尝试，得到满足应力要求的钢束分布图。所以说，预应力筋、预应力锚具和预应力体系设计归根到底取决于预应力效应的分析。
后张预应力混凝土结构中，预应力筋的防腐蚀问题及与结构混凝土的共同工作问题是通过压力灌浆充满预应力筋预埋孔道和预应力筋之间的空隙予以解决的，当后张预应力筋处于非水平的倾斜状态、多跨度弯曲状态时，水泥浆的泌水蒸发后形成无水泥浆存在的空间，使该处的预应力筋失去保护。而预应力筋在高应力状态下对腐蚀损坏相当敏感，造成预应力筋的腐蚀部位断面缺损，影响预应力混凝土结构的安全和耐久性。因此，灌装质量的好坏直接影响到预应力筋的防腐蚀性能、预应力构筑物的安全性能和耐久性能。所以在预应力孔道灌浆施工中，针对质量问题：孔道中水泥浆未充满，有空隙；水泥浆体硬化后收缩与孔道壁分离；水泥浆硬化后强度不满足规范要求进行重点解决。
五、结语
公路桥梁加固技术是21世纪公路桥梁施工领域发展速度最快、用途最广的一门科学技术。现代预应力技术推动了土木工程的快速发展，同时也为桥梁加固提载提供了一种主动的、有效的技术和方法，较大幅度地提高了构件的承载能力。因而加速我国旧桥加固或改造技术的研究，不仅能更好地、及时地为现代交通运输服务，而且能为国家带来巨大的经济效益和社会效益，具有广阔的发展前景。
