体外预应力加固梁桥理论及实例分析

何玲玲 张亚妮

摘要：体外预应力加固梁桥施工简便，且在基本不增加梁截面高度和自重的条件下，可提高梁抗弯、抗剪承载力和改善其在使用阶段的性能。本文通过对体外预应力加固梁桥理论加以阐述，并通过一个工程实例计算，对进行体外预应力加固前后梁桥的承载力、挠度及应力进行对比分析。

关键词：体外预应力 加固理论 梁桥 对比分析

1.引言

钢筋混凝土梁式桥通常包括简支梁、悬臂梁和连续梁等。当其存在结构缺陷，尤其是其承载力不足或需要提高荷载等级，既需要对桥梁主要受力结构进行加固时，可在梁体外部，即梁底或梁两侧，设置钢筋或钢筋束，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。

2.体外预应力加固法的适用范围及特点

（1）适用范围

体外预应力加固法适用于空心板和箱梁等闭口截面、如T梁或n型梁等带肋的开口截面、带刚性腹板（或波纹钢腹板）的三角形截面和带将架腹板的箱形截面。体外预应力加固法适用于中小跨径桥梁，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，已达到较好的加固效果。

（2）特点

优点：由于预应力所产生的负弯矩抵消了一部分荷载弯矩，致使梁板的弯矩减小，裂缝宽度缩小甚至完全闭合，能较大幅度提高或恢复桥梁的承载能力；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；对原结构损伤小，可以做到不影响桥下净空、不增加路面标高等。

缺点：由于预应力加固梁桥时预应力筋布置在梁截面外部，易受环境的影响，需要可靠的防腐设计。

3.体外预应力加固法的理论分析

当采用预应力拉杆加固钢筋混凝土梁桥时，加固结构性能和受力特征，与后张法无粘结部分预应力结构相似，张拉预应力如同外力一样作用在原梁上，原梁仍承受着恒载内力；张拉预应力筋在原梁上产生的预应力内力，基本上与恒载内力相反，所以体外预应力实际起到卸荷作用。

体外预应力加固设计计算步骤：①计算求出加固构件提高荷载等级前所受荷载及其引起的内力，包括恒载和活载内力；②计算提高荷载标准后的活载内力，并由恒载和活载的组合来验算加固的必要性；③由以上两项之差得出内力提高值，估算出预应力筋应有的横截面面积；④计算和确定预应力筋所必需的张拉力和伸长量；⑤承载力验算；⑥计算确定施工中控制张拉时所需要的控制量。

4.实例分析

4.1工程背景

（1）桥梁病害

该梁桥上部结构为4×40m装配式部分预应力混凝土连续箱梁，下部结构为柱式墩、空心薄壁墩、肋式台、钻孔灌注桩基础。

该箱梁桥部分箱梁底板、两侧腹板部分均不同程度出现横向和竖向裂缝，裂缝主要分布在箱梁L/4～L3/4范围内，裂缝数量较多，间隔多为30cm～60cm，大部分裂缝宽度介于0.05～0.2mm之间，少量箱梁跨中底板横向及腹板竖向裂缝宽度达到0.3～0.4mm；裂缝为结构受力裂缝，荷载试验加载时，有非常明显的开合现象。另外，个别箱梁中横隔板混凝土浇筑不密实，存在大量蜂窝麻面等病害。

试验表明：部分箱梁纵向应力及挠度校验系数已较无病害桥跨下降15%～20%；抗裂性能已经不满足设计要求。

（2）加固情况

针对该桥梁病害特点，主要由于箱梁底板及腹板开裂且裂缝宽度超限而引起预应力钢束永存预应力不足所造成的，因此主要采用体外预应力加固法加固该桥，从而改善该桥不利的受力状态。

对于受力裂缝相对较多的箱梁，在底板下缘安装钢结构齿板，张拉3φs15.2环氧无粘结钢绞线4根，直线布束，在箱梁腹板安装钢结构齿板及转向块，张拉3φs15.2环氧无粘结钢绞线2根。

4.2模型建立

该桥结构有限元模型采用Midas/ Civil2010建立。有限元模型包括主梁和支座等边界条件的模拟，其中，主梁采用梁单元模拟。该桥加固前后模型均使用节点86个，单元80个。有限元模型图1所示：

图1有限元模型

4.3加固前后计算对比分析

（1）计算结果为加固前该桥第二跨跨中截面正截面抵抗弯矩为41468.9KNm，经过体外预应力加固后其正截面抵抗弯矩为48787.9 KNm，其承载力提高了17.6%。

（2）在最不利荷载作用下，按承载能力极限状态进行荷载组合，主梁主要截面加固前的应力和挠度对比见表1。

表1主梁主要截面加固前的应力和挠度对比

5.结论

计算结果表明，加固后主梁各跨跨中的正截面弯矩承载力比原桥提高约17%，跨中的正截面弯矩承载力与原桥相同；主梁各跨跨中挠度平均下降约10%，截面应力平均下降约8%。综上所述，该加固方法切实有效，结构的承载能力得到了明显提高，结构受力状态得到了明显改善。

参考文献：

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[2]单成林.旧桥加固设计原理及计算示例[M].北京：人民交通出版社，2007.

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