体外预应力加固法

体外预应力加固法一、体外预应力加固法基本概念钢筋混凝土梁式桥通常包括简支梁(T型梁、少筋微弯板组合梁、π形梁及板梁等)、悬臂梁和连续梁等。当其存在结构缺陷，尤其是承载力不足或需要提高荷载等级，即需要对桥梁主要受力结构进行加固时，可在梁体外部(梁底与梁两侧)设置钢筋或钢丝束，并施加预应力，以改善桥梁的受力状况，达到提高桥梁承载能力的目的。体外预应力是针对体内预应力而言的，即把预应力筋布置在主体结构之外。当体外预应力索应用于混凝土结构时就被称为体外预应力混凝土结构。体外预应力技术用于桥梁加固称为体外预应力加固。从力学特征上说，体外预应力索与周围结构主体在同一截面上的变形是不协调的。体外预应力索加固结构的实质，是以粗钢筋、钢绞线或高强钢丝等钢材作为施力工具，对桥梁上部结构施加体外预应力，以预加力产生的反弯矩部分抵消外荷载产生的内力，从而达到改善旧桥使用性能并提高其极限承载能力的目的。体外预应力加固法具有加固、卸荷、改变结构内力的三重效果，适用于中小跨径的梁式桥；对于较大跨径的桥梁，采用本方法加固时，宜同时配合其他加固方法进行综合加固，以达到较好的加固效果。工程实践表明，用体外预应力索加固桥梁具有如下优点:（1）能够较大幅度地提高旧桥承载能力。加固后所能达到的荷载等级与原桥设计标准及安全储备有关，一般情况下可将原桥承载力提高30%--40%。（2）体外预应力索加固技术所需设备简单，人力投入少，施工工期短，经济效益明显。（3）在加固过程中，可以实现不中断交通或短时限制交通。（4）对原桥损伤较小，可以做到不影响桥下净空，且不增加路面高程。常用的体外预应力加固技术包括体外预应力钢丝束加固法和下撑式预应力拉杆(粗钢筋)加固法。（5）体外预应力加固法与梁底增焊（或粘贴）钢筋（或钢板）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，从而使加固工作失败。二、体外预应力加固法原理常用的体外预应力加固技术包括体外预应力钢丝束加固法和下撑式预应力拉杆（粗钢筋）加固法。（一）外部预应力钢丝束加固法采用外部预应力钢丝束(钢绞线)加固梁式上部结构，一般沿梁肋侧面按某种曲线线形(常用的有抛物线形等)设置预应力钢丝束，通过张拉预应力筋实现体外预应力。为保证曲线线形并固定钢束位置，在梁底每隔一定间距离(50——100cm)设置一个定位箍圈(由梁底向上兜)，或者在梁肋侧面埋设定位销。钢丝束的两端头则穿过梁端翼缘板上的斜孔伸至梁顶锚固（如图1）。为了防止钢丝束锈蚀，预应力钢丝束应放在保护导管内，或者待张拉后在钢丝束周围用混凝土包裹。采用预应力钢丝束加固时，由于设置并张拉钢丝束常增加梁端上缘的压应力，从而导致梁端上缘混凝土因抗压强度不足而开裂。因此，有时应采取同时适当加厚桥面板的做法，以加强受压翼缘。（二）下撑式预应力拉杆（粗钢筋）加固法按加固对象不同，该方法分为预应力拉杆加固及预应力撑杆加固。其中预应力拉杆加固法主要用于受弯构件，而预应力撑杆加固法适用于提高轴心受压以及偏心受压钢筋混泥土柱的承载能力，例如排架桩式桥墩、桥台以及拱桥的柱式腹拱墩等。1、预应力拉杆加固根据加固目的及被加固结构受力要求的不同，预应力拉杆加固又分为水平式[或称直线式，见图2]、下撑式[或称折线式，见图3]及混合式等拉杆布置方式。对于梁，水平式拉杆适用于正截面受弯承载能力不足的加固，同时可减小梁的挠度，缩小原结构的裂缝宽度。下撑式拉杆适用于斜截面受剪承载力及正截面受弯承载力均不足以及连续梁的加固，同时可减小梁的挠度，缩小原结构的裂缝宽度。混合式拉杆一般用两根水平拉杆、两根下撑式拉杆，适用于正截面受弯承载力严重不足而斜截面受剪承载力略微不足的加固，同时亦可减小受弯构件的挠度，缩小原构件的裂缝宽度。对于桁架，水平式拉杆主要用于下弦杆受拉承载力不足的加固;下撑式拉杆适用于跨中下弦杆及端腹杆受拉承载力不足的加固;混合式拉杆适用于下弦杆承载力较端腹杆承载力更严重不足的加固。对于框架、刚架、连续梁等，主要采用与结构弯矩图相应的连续折线式拉杆加固方案。2、预应力撑杆加固按被加固柱受力要求不同，预应力撑杆加固又分为双侧撑杆加固及单侧撑杆加固。双侧撑杆适用于轴心受压即小偏心受压柱加固，单侧撑杆适用于受压区配筋量不足或混凝土强度过低的弯矩不变号的大偏心受压柱的加固。若对简支梁采用下撑式拉杆体外预应力加固，即可视为改简支梁为上承式桁架梁。桁架的上弦即为原结构主梁，下弦是水平拉杆，腹杆时斜拉杆，把与滑块接触的垫块视为竖杆，单垫块为单柱式，双垫块为双柱式。斜杆的上端锚固位置有两种:一种锚于梁端的顶部;另一种锚于靠近端横梁处的梁胁顶部，斜杆的下端与滑块连接。滑块依赖拉杆收紧后产生的上托力和滑移时的摩擦力与上弦连接。对斜杆的张拉不是直接施加拉力，而是随着水平拉杆张拉力增加，下端滑块产生相应的移动使它的长度增大。当水平拉杆张拉力达到设计量后，将它的两端锚固，加固工作即告完成。在斜杆顶端和梁底垫块上作用力的水平分力共同对梁体施加偏心轴向压力，上述作用力的竖向分力所形成的力偶对梁端施加负弯矩及竖向负剪力。这些预加力可以抵消或超过恒载作用力。在车辆通过时这些体外拉杆是上部结构的组成部分并与原有梁体共同受力，形成超静定体系。各拉杆的张拉力将自动增加，进一步起到加强作用。三、体外预应力加固法施工方法桥梁体外预应力加固施工中，由于各种加固体系的构造形式不同，其施工方法也不尽相同，但其工艺流程是有共性的。根据国内桥梁体外预应力加固的工程实践归纳出桥梁体外预应力加固施工的工艺流程（图4）如下。1、外部预应力钢丝束补强加固①钻孔。在梁端顶面先凿出锚固槽，再沿梁肋两侧方向按设计斜度钻孔。②安装锚固板。锚固板一般用厚15mm的钢板制成，在钢丝束位置上钻出穿丝孔，用环氧砂浆将锚固板固定在锚固槽内。③安装定位销或定位箍圈。u形定位箍圈常用φ12-φ16钢筋焊制，顶端设有穿钢丝束用的套环。钢丝束(钢绞线)由一端锚固板穿入经过各定位箍圈，再从另一端锚固板穿出并收紧后，用轧丝锚头固定。④张拉。在钢丝束一端用张拉千斤顶或绞车张拉钢丝束，待达到设计张拉值后即进行锚固，再浇筑封头混凝土。⑤防护处理。钢丝束涂上红丹和防锈漆，外面再罩以砂浆或混凝土保护层，或者用套管封闭钢丝束。2、下撑式预应力拉杆（粗钢筋）加固(1)水平（横向收紧）预应力补强拉杆加固法对于钢筋混凝土或预应力混凝土的T或工字梁桥，可采用在梁断面的受拉面，即在梁底下加预应力水平拉杆的嫁衣补强方法进行加固，加固结构（如图5）。图5水平的预应力补强拉杆加固法从图5中可以看到，当拉杆安装并通过紧销钢栓实施横向拉力后，钢拉杆内江产生较大纵向拉力，于是，梁受拉区就受到拉杆顶压应力的作用，梁中受拉应力也就相应减小。从加固原理上看，这种步枪加固法可提高梁构件正截面抗弯承载能力，但不能提高支座附近斜截面抗剪承载能力。在水平预应力补强拉杆加固法中，作为拉杆的粗钢筋分两层布置在梁肋底面两侧，在靠近梁端适当位置向上弯起，与固定在梁端的钢制U形锚固板焊接。粗钢筋弯起处用短柱支撑，纵向每隔一定间距设一道撑棍和锁紧螺栓。通过收紧器将拉杆横向收紧而使拉杆受拉，控制张拉力，梁体产生预压应力。水平（横向收紧）预应力补强拉杆加固法具体施工工艺流程如下：①粘贴锚固钢板。将梁端混凝土保护层凿除，使主筋外露，清除碎渣、浮浆后用环氧砂浆粘贴U形锚固钢板。②焊接拉杆粗钢筋。先将粗钢筋的弯起段按设计角度焊在锚固板上，然后用夹杆焊将粗钢筋的水平段与弯起段焊在一起。③安装张拉装置。先放好弯起点垫块撑棍，再安设中间撑棍及锁紧螺栓，紧贴锁紧螺栓处安放收紧器。④预张拉。预张拉的目的在于检查拉杆的焊接质量。预张拉力按设计张拉力的0%--80%控制，预张拉力保持12h后卸除。⑤张拉。旋紧收紧器，使两侧拉杆向中间收拢，按设计收紧量对称地分次收紧。达到设计收紧量后再收紧1--2mm，然后拧紧锁紧螺栓，并用双螺帽锁住，最后卸除收紧器。各段拉杆横向收紧的距离，按根据设计预应力值计算出的拉杆总变形值确定，并通过几何关系计算出具体的数值。⑥防护处理。拉杆粗钢筋及U形锚固板均需涂以防护涂料以防锈蚀。（2)水平（纵向张拉）预应力补强加固法当采用纵向张拉法补强加固时，拉杆钢筋仍沿梁底布置，两端向上弯起。它与横向收紧张拉方法的不同之处在于，拉杆两端弯起段通常由翼缘板上的斜孔伸至桥面，拉杆端部设有丝扣，用轧丝锚具锚固于梁顶的锚固槽内。纵向张拉法对拉杆钢筋施加预应力，可以用旋紧螺帽、端部用张拉千斤顶张拉、拉杆中间设置法兰螺丝收紧丝扣及电热法张拉等手段完成。纵向张拉补强加固的施工工艺流程为:①开锚固槽。凿开梁端桥面铺装，在梁端顶部按设计斜度凿出锚固槽。②钻孔。在锚固槽内沿梁腹板侧壁方向按设计斜度钻两个平行的孔洞。③粘贴垫板。粘贴梁端锚固垫板和梁底的短柱支座垫板。④安装拉杆钢筋。拉杆分水平段及弯起的锚固段两部分，各拉杆的松紧度应调整一致⑤张拉。每片梁上的几根拉杆应保持均衡张拉。⑥封锚。用防水砂浆或环氧砂浆填入锚固槽封锚⑦防护处理。(3)撑式预应力补强拉杆加固法将水平补强拉杆在接近支座处向上弯起，锚固于梁板支座的上部，弯起点处增设船里构造，再施加预拉应力。这种加固装置即为下撑式预应力补强拉杆的加固方法。在桥下净空许可的条件下，可采用如图6所示的下撑式补强拉杆加固梁式钢架混凝土梁的方法。这种加固法的预应力补强拉杆用钢材做成，拉杆弯起点设立柱，立柱用钢筋混凝土或混凝土做成。立柱一般设在四分之一跨径的地方，以使预应力加固的斜拉杆与水平线的角度为30-50度。预应力加固件的斜拉杆，装在被加固的梁腹板左右两侧支座上方的梁端。在钢筋混凝土梁上凿开一个安装垫座的位置，割去一部分梁的钢筋箍和竖钢箍，将用角钢或槽钢做成的支承垫座安防在凿好的洞内，并与斜拉杆撑垂直角。斜拉杆的一端插入支承垫座内用螺帽扣紧，另一端在立柱下面用一对节点板和水平拉杆结合。装好之后，用花篮螺丝把加劲的水平拉杆拧紧。为减少对桥下净空的影响，预应力补强拉杆也可布置在主梁腹部的两侧（中性轴以下），如图7在下撑式预应力拉杆加固施工中，必须注意到由于横向各片主梁的共同作用使各片主梁的受力相互影响这一特点，当张拉后一片主梁时，前一片已张拉主梁的拉杆中的预应力值将减小。因此，需要对各片主梁进行反复补充张拉，以调整各主梁的预应力度，使各片主梁均达到设计值。准确地控制拉杆的预应力值，是保证下撑式预应力拉杆补强加固效果的关键。预应力值的控制方法有以下几种:①拉杆上贴应变片，测量拉杆的应变;②直接由张拉千斤顶压力表读数;③用测力扳手测定螺帽旋转力，或控制螺帽转数;④测量构件的上挠度。由于下撑式预应力补强拉杆布置较为合理，拉杆中施加预应力后，通过拉杆弯起点的支托构件传力，与梁结构产生作用力，起到卸载的作用。这种加固方法的优点是可对受弯构件垂直截面上的抗弯强度和斜截面上的抗剪强度同时起到补强作用。此法加固效果显著，可将原结构的承载能力增大一倍。（4）组合式预应力补强拉杆加固法组合式预应力补强拉杆加固法既布置水平补强拉杆，又布置有下撑式补强拉杆，这种加固方式称为组合式预应力加固方法。组合式预应力补强拉杆的加固方法，既具有下撑式预应力补强拉杆，同时提高抗弯、抗剪强度的优点，又可在必要时将通常安设的两根拉杆增加到四根(两根水平拉杆)，从而可更大幅度地提高承载能力。上述三种预应力补强拉杆加固法的采用，可根据具体情况进行选择。从补强的内力种类来看，当梁板跨中受弯强度不足，而斜截面上抗剪强度足够时，可采用水平预应力拉杆及其他两种拉杆。当梁板支座附近斜截面抗剪强度不足时，则采用下撑式和组合式预应力拉杆。从要求补强加固后承载力能提高较大时，宜采用组合式补强拉杆。此外，三种拉杆的选择均须考虑施工的方便与可能。无论采用哪一种方式对拉杆施加预应力，下撑式预应力拉杆均外露在结构外表，拉杆的锈蚀、梁下支撑的位移等都会影响到补强效果;特别是采用横向收紧张拉法施工时，撑棍的变形、锁紧螺栓在