公路桥梁加固技术与体外预应力方法概述

公路桥梁加固技术与体外预应力方法概述摘要：预应力加固技术在旧桥维护中得到广泛运用，本文概述了桥梁的加固思路和具体常用的加固方法及其特征，并详细介绍了体外预应力加固技术的发展历史、体外预应力受力特点、配束方法以及施工工艺等。关键词：桥梁预应力加固1.桥梁加固方法概述近些年来，随着交通事业的蓬勃发展，桥梁建设突飞猛进，日新月异，每年都有上千座桥梁建成通车，但由于国民经济迅速发展，交通运输量大幅度提高，行车密度及车辆载重越来越大，跨河桥梁和高架桥梁在交通工程中的重要性与日俱增。因其建桥年代的局限，设计荷载偏低，桥面窄小，功能老化，承载力不足等，出现了各种各样的病害，成为交通运输发展的潜在隐患。面对数量庞大的旧桥、危桥，如要全部推倒重建，既不科学也不现实。旧桥改造是全球性课题，引起了各国的高度重视，并提到了刻不容缓的议事日程上来。预应力技术是20世纪最具有革命性的结构构思，已广泛用于土木工程和建筑工程。预应力加固技术在桥梁加固中的应用，具有更为特殊的意义。桥梁结构预应力加固体系主要有三种：1)体外预应力加固体系；2)有粘结预应力加固体系；3)高强复合纤维预应力加同体系。本文主要介绍体外预应力桥梁加固技术。1.1桥梁加固桥梁加固改造是运用有效可行的技术手段对桥梁结构物进行补强加固及拓宽，其根本目的是恢复和提高其承载能力及耐久性。目前，常用的桥梁加固方法很多，从大的方面划分可分为上部结构补强加固和下部结构补强加固。桥梁上部结构补强加固方法又分为改变结构受力体系方法和不改变结构受力体系方法两类。从后加补强材料是否具备预应力及基本受力原理来看，桥梁上部加固又可划分为两大类，即主动加固和被动加固。⑴桥梁被动加固原理在受拉区(或抗剪薄弱区)直接增设补强材料，例如：补焊钢筋、粘贴钢板、粘贴高强复合纤维材料（碳纤维、芳纶纤维)等。这种加固方法从作用原理上讲属于被动加固范畴。实际上设计时必须考虑带载加固及分阶段受力特点，构件自重及恒载由原梁承担；活载由加固后的组合截面承担，后加补强材料强度发挥程度受原梁变形的限制。⑵桥梁主动加固原理为解决后加补强材料“应变滞后”，提高后加补强材料利用率，对后加补强材料施加预应力，采用预加力原理进行加固补强。从作用原理上讲预应力加固属于主动加固范畴。后加补强材料主动受力，由于预加力的作用，改善了原梁的应力状态，以达到提高原梁承载力和抗裂性的目的。1.2常用的桥梁加固方法由于桥梁的耐久性问题，大量的老桥旧桥需要加固，因而也相应地产生了很多的旧桥加固方法。目前国内常用的桥梁加固方法有体外预应力加固法、碳纤维加固法、增大截面加固法、粘贴钢板加固法、裂缝灌浆修补法等。其中体外预应力加固法作为一种主动加固方法，其施工工艺成熟，结构受力良好，已经得到了广泛的应用。增大截面加固法会在提高结构刚度的同时也增加梁体自重，故而效果不是很好，新老混凝土的粘结也是一个需要解决的问题。除常规的钢筋除锈，混凝土养护加固措施之外，还有一些新型的加固措施，如粘贴纤维复合材料（FRP）加固技术、粘贴钢板加固技术、施加体外预应力加固技术和SPS钢桥面板加固技术等。(1)纤维复合材料加固技术FRP材料是一种新型结构材料。全称为纤维增强塑料（FiberReforcedPlastic，即FRP）是一种以纤维作为增强材料，以纤维、纱线或织物的形式增强树脂基体的复合材料。FRP材料以其独特的优点常常用于加固钢筋混凝土梁和桥墩。它与粘贴钢板加固技术相比有以下优点：FRP的强度更大，重量轻；可以现场剪裁，粘贴方便；FRP材料不生锈，耐腐蚀性好，因而可以用在海水、氯盐等腐蚀环境。剪断和接长很方便，可以裁成各状，因而可以用于构件形状复杂或构件位于狭窄空间处。纤维加固技术施工工艺流程和箱梁外部粘贴碳纤维加固如图6。FRB同样还可以用在对桥墩、桥面的桥梁加固上。图1FRB加固技术施工工艺流程（左）和其加固箱梁示意图（右）FRB材料不仅可做加固材料，还可以做斜拉索的材料。瑞士的StorkBridge是世界上第一座FRP斜拉索的公路桥（图7）。世界上已建成的FRB桥梁如表1。表1世界上已建成的FRB桥梁桥梁国家桥梁类型跨度（m）建成时间AberfeldyBridge英国人行悬索桥631992StorkBridge瑞士公路斜拉桥611996HerningBridge丹麦人行斜拉桥401999LaroinBridge法国人行斜拉桥1102002江苏大学人行桥中国人行斜拉桥302005图2瑞士的StorkBridge(2)纤维复合材料加固技术粘贴钢板加固作用与粘贴纤维布的加固作用类似，提高了建筑物的耐剪切、耐弯曲能力，延长其使用寿命，达到了增加荷载的目的。相较粘碳纤维加固，防火性能有所提高。其施工工艺如下图：图3粘贴钢板加固技术施工工艺流程(3)体外预应力加固技术体外预应力加固是指在运营过程张拉体外预应力以保证结构承载安全。体外预应力的钢束可检测、可更换。体外束钢束布置在外，钢束布置简单，混凝土浇筑方便，质量容易保证。并且设计较为自由。去掉布置体内束而增加的非受力结构，避免体内钢束的过分拥挤，避免因减少钢束数而采用过大直径的体内钢束。可在不限制通行的条件下进行加固加工，既可作为桥梁通过重车的临时加固手段，也可作为永久提高承载能力的措施。(4)SPS钢桥面板加固技术正交异性钢桥面板是现代钢桥中的标准部件,具有轻质、高强、便于安装的优点,然而正交异性钢桥面板直接承受车轮荷载的反复冲击,产生较高的局部应力,桥面板和肋板的焊接连接处易发生疲劳破坏,出现疲劳裂纹,并导致其上的原有桥面铺装层开裂（图10）,影响桥梁的使用寿命。图4正交异性钢桥面板出现疲劳裂纹对于发生裂纹正交异性钢桥面板加固方法有多种,其中夹芯钢板系统sandwichplatesystem(SPS)是一种效果较好,且施工便捷的方法。其优点有：结构简单，抗疲劳性能较好；刚度大，强度高，承载能力好；减振缓冲性能好，使用安全；钢材使用量少,重量轻。在该方法中,首先是在现有的桥面钢板上添加周界板坯,然后在其上添加新的钢板。在这之后,便形成一个浅的水密空腔,然后在其中注入两种组分混合组成的弹性材料。在大约十分钟之内这两种组分会发生反应形成一种固态的弹性夹层,把两块钢板永久地粘合在一起。图5SPS钢桥面板加固技术施工示意图2.体外预应力加固技术的发展70年代，随着交通运输的发展，旧路改造及旧桥加固引起世界各国的普遍重视，很多国家开展了旧桥加固研究，在欧洲一些国家，采用体外预应力技术加固桥梁，提高原桥的荷载等级，收到了明显的经济效益，体外预应力技术在旧桥加固中的应用，又促进和加深了人们对体外预应力技术的认识。实际上，体外预应力技术伴随着预应力技术的产生而出现，并且利用体外预应力技术修建混凝土桥梁先于体内预应力技术，因此它是一门古老的新生技术。早在1934年德国人迪辛格的体外无粘结筋技术便取得了德国和法国的专利，并于1936年建成实桥。但由于处于体外的钢筋防锈蚀技术不成熟，致使桥梁养护、维修费用很高，因而在很长时期内阻碍了这一技术的发展。90年代以来，体外预应力技术在国外得到了迅速发展，这一方面是由于人们对混凝土耐久性认识的提高，迫切期望创造一种具有防腐性能的结构，为体外预应力技术的发展提供了广阔的市场；另一方面，随着斜拉桥技术的发展，成功地解决了钢丝的防锈蚀和大吨位锚头的设计和施工问题，消除了体外预应力技术发展的最大障碍，使体外预应力技术的发展获得了新生。随着体外预应力设计理论及实用技术的不断发展，反过来又进一步促进了体外预应力加固旧桥的应用。3.体外预应力加固关键技术3.1作用原理体外预应力加固的作用原理是以具有防腐保护的高强钢丝，钢绞线或高强度粗钢筋等作为施力工具布置在梁体的外部（或箱内），对梁体施加体外预应力，以预应力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，从而达到改善桥梁使用性能和提高结构承载力的目的。体外预应力加固是目前采用较多的加固方法之一，特别适用于在大跨径预应力混凝土连续箱梁和连续Ｔ构箱梁桥的加固。体外预应力筋锚固在梁端（或中间）横隔梁上，跨间用转向块调整预应力筋的角度，以适应梁的受力要求。严格来讲，体外预应力、体内无粘结预应力、包括斜拉桥在内，都属于无粘结预应力结构。无粘结预应力结构理论分析的核心问题是预应力钢束在各受力阶段的应力增量计算问题。3.2技术特点与普通预应力混凝土结构相比，体外预应力混凝土结构具有如下主要优点：①体外预应力钢筋可以是不可更换的，也可以设计成可更换、可补拉的，可更换的体外力筋，易于维修、养护、加固；②体外预应力加固旧桥构造简单，简化了施工；由于梁肋中不设管道，避免了截面削弱；体外配筋方式取消管道灌浆工序可实现全年施工，对处于寒冷地区的北方各省具有十分重要的现实意义；③减小了钢筋束的摩阻损失，预应力筋利用效率高，力筋应力变化幅值小，对抗疲劳有利。体外预应力加固混凝土桥梁在我国的推广应用，为解决工程上长期困扰的混凝土耐久性问题提供了可能，桥梁耐久性的提高，使用寿命的延长（换一次索或补拉一次，可延长使用寿命长达20年），可为桥梁养护管理及加固补强带来可观的直接经济效益，其间接和长期经济效益亦相当显著。3.3体外预应力损失计算分析由于体外预应力结构在结构体系、构造形式、施工方法等方面与常规预应力结构有相应的差别，因此有必要对体外预应力损失的计算方法做特定的考虑。参考现行桥梁加固设计规范，在体外预应力加固结构中应考虑下列因素引起的预应力损失：①体外预应力束与管道壁之间的摩擦引起的预应力损失盯f1．②锚具变形、预应力钢筋回缩引起的预应力损失O-t，；③分批张拉引起混凝土弹性压缩引起的预应力损失盯n；④体外预应力束的应力松弛引起的预应力损失。除此之外，还应考虑使用期间的温差损失。混凝土收缩徐变损失是计算混凝土由于发生收缩徐变其体积发生变化，预应力钢筋随之回缩，从而引起的预应力损失。大跨预应力混凝土连续刚构桥采用体外预应力加固时，原桥一般已经运营多年，混凝土的收缩徐变已经完成。故此项预应力损失可以忽略不计。3.4体外预应力的应力增量计算和二次效应分析3.4.1体外预应力的应力增量体外预应力筋的应力计算不同于普通预应力混凝土，因为体外预应力筋由外荷载引起的应变不能根据相应截面的混凝土的应变求得，即体外预应力筋的变形不服从平截面变形假定。有研究表明，影响体外预应力筋极限应力增量因素有：外荷载形式代表梁的弯矩分布形式；梁的高跨比反映了梁的柔度，与梁的变形曲率关系密切，一般随着高跨比的增大，极限应力增量有降低趋势；综合配筋指标表示梁截面相对受压区高度及其转动能力，它包含无粘结预应力筋与非预应力筋的面积与强度，混凝土强度等因素是影响应力增量最显著的参数。只有综合考虑上述各因素，建立符合实际情况的计算假定，通过与实验结果大范围比较，才有可能建立较为完善和成熟的极限应力公式。3.4.2体外预应力的二次效应由于体外预应力构件仅在锚固点和转向板处，体外预应力束在构件截面上的位置相对不变；而在其它位置，体外预应力束对截面的偏心距随构件的变形而发生变化，因此产生体外预应力二次效应。由于二次效应的存在，在加载阶段预应力的偏心距会减小。这样会降低预应力的作用，从而降低体外预应力的抗弯承载能力。在体外预应力中，受转向装置的影响，相邻两转向板间的变形情况与简支梁是相似。体外索的自由长度中间增加具有限制竖向相对变位作用的索夹，可以有效地增加体外索的极限应力增量和结构的极限承载力。同时与起转向作用的转向板相比，这种转向板的构造简单，是一种很经济的构造措施。采用这种构造措施可以有效地减小二次效应对结构承载力降低的影响，同时对结构的抗振显然也是有利的。3.5体外预应力束配束法由连续刚构或连续梁桥的病害机理分析知，连续体系桥普遍存在跨中下挠过大，箱梁开裂等问题。有研究表明跨中下挠过大主要由纵向预应力损失过大，因为收缩徐变与预应力度成反比，即预应力度名越大，收缩徐变就越小，因此纵向有效预应力损失过大等于张拉控制应力减小，收缩徐变就越大，因此基于体外预应力弥补纵向预应力损失的加固设计方法确定体外预应力束配筋面积是合理的。由于该体外预应力束配筋面积不