T型梁桥体外预应力加固技术初探

段凯敏，陈 畅，黄世涛

（长江工程职业技术学院，武汉 430212）

1 前 言

旧桥加固改造技术，是对正在使用的旧桥进行检测、评价、维修、加固或改造等技术对策的总称。在公路桥梁投入使用后，一般要定期对其性能和承载能力进行检测，确保它的安全。目前主要是在两个时期对桥梁进行检测，一是在投入使用之后20～30年，这期间检测的目的主要是测定桥体有无按设计要求工作，技术状态如何？另一个是在投入使用后50～60年，这期间检测的目的主要是对其使用状态进行检测，检测其承载力如何？有无明显缺陷？耐久性如何？是否需要加固？随着社会经济的发展、人民生活水平的提高，机动车数量越来越多，重量也越来越大，对公路的承载要求也越来越高。而我国现有公路桥梁的普遍现状是：年限久、标准低、桥面窄、破损严重，已明显难以满足现阶段的交通运输要求。如何恢复和提高其承载和通行能力显得尤为重要，现阶段主要是通过对其进行检测、评价、维修、加固及技术改造来解决此问题。

2 桥梁结构加固方法综述

旧桥加固按加固部位不同分为上部结构加固和基础加固。其中，上部结构加固常用的方法有：增大截面尺寸、粘贴法、加设辅件法、改变结构和受力体系、体外预应力、套拱法。桥梁基础结构加固方法有：加桩法、预应力钢筋或锚索加固法、扩大基础法、套箍或护套法、辅助挡土墙法。对于上部结构加固方法中，目前最常用的是粘贴法和体外预应力。粘贴法一般是用环氧树脂或建筑结构胶等高强、高粘聚性的高分子化合物将钢板等抗拉强度高的材料粘贴在桥体受拉侧，使其与桥体粘聚成整体，使二者共同受力，进而达到提高桥体抗弯、抗剪强度的目的，有效的控制了裂缝的开展。粘贴法施工灵活，空间占据小，施工工期短，周转性材料用量少，不减小桥底净空高度，施工过程中交通影响小，但加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平，适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。体外预应力的通常做法是：在梁底或两侧等受拉明显的部位设置粗钢筋、高强钢丝或钢绞线，通过锚固，使得钢丝或钢绞线等预应力构件与梁形成桁架结构，以预加力产生的反弯矩抵消外荷载产生的内力，并且有一次的超静定次数，稳定性大幅提高（见图1）。

图1 预应力拉杆锚固形式示意图

由体外预应力的定义不难看出，对桥梁（尤其是梁式桥）进行体外预应力加固处理后，已经改变了其原来的受力情况。不同部位的结构构件，受力体系也不同，以受弯为主的构件（例如桥面），主要是通过在其受拉侧施加预应力拉杆，利用拉杆提前受到的张拉力的回缩变形抵消受弯构件受拉侧的拉力来满足承载力，这种方法被称为“预应力拉杆加固法”。而对于承受压力为主的构件，无论是承受轴压还是偏压，往往是通过预应力撑杆（称为预应力撑杆加固法），借助于撑杆的支撑力维持稳定。

弯矩的产生是因为受荷引起的，在荷载的作用下会产生弯矩和剪力，弯矩单独作用，还是弯矩和剪力共同作用，拉杆的布置形式是不同的，按照受力特点，可将预应力拉杆加固法分为：水平式拉杆、下撑式拉杆和水平、下撑组合式拉杆。当结构易发生正截面受弯破坏时，水平拉杆的约束作用最强，同时还能限制挠度和裂缝宽度的开展。若构件既有正截面承载力不足，又有斜截面受剪破坏的趋势，此时，水平拉杆的抗剪作用已不能满足承载力需要，需要使用下撑式拉杆，它能显著提高构件的刚度水平。在一些特殊情况下，还可以采用组合式拉杆，即将两根水平拉杆、两根下撑式拉杆组合到一起，能够起到优势互补的效果，尤其适合于正截面受弯承载力严重不足而斜截面受剪承载力略为不足的情况。

相对而言，下撑式拉杆加固补强最为常用。它类似于拱式桥当中的上承式。其上弦为原结构主梁，下弦是水平拉杆，腹杆是弯起的斜拉杆，斜杆必须要锚固稳定且保证有一定的锚固深度。斜杆上端锚固位置一般有两种：一种锚固于梁端的顶部，另一种则是锚固于靠近横梁端部的梁肋顶部（如图1所示）。图中水平拉杆与斜杆均与主梁下部的滑块相联，水平拉杆因张拉后变形回缩使得滑块向内侧移动，滑块的相对移动又使得斜杆发生了张拉变形，整个体系就像一个“网兜”一样，紧紧将横梁兜在水平拉杆、斜杆和滑块所形成的变形回缩的压力体系中。这些力使得支座处承受负弯矩和负剪力，并形成超静定结构。行车时，车辆的荷载与桥梁的自重形成正向弯矩和剪力，刚好与体外预应力形成的体系方向相反，作用效果抵消。正向弯矩和剪力越大，张拉体系中各杆件拉力越大，回弹越明显，越有利于梁体的安全。

体外预应力法的优点是显而易见的，例如与粘贴法相比，体外预应力不用对混凝土表面进行凿毛处理，避免因凿毛处理时对桥体的二次损伤，且影响范围小。其缺点是：施加预应力时，预应力大小要控制得当，否则易将钢筋拉断；由于混凝土会发生徐变，易造成预应力损失；由于钢筋处于大气环境中，容易受到环境温度、湿度的影响，降低其耐久性。当桥跨较大时，预应力效果也会大打折扣。因此，体外预应力一般适用于跨度较小的梁式桥，对于跨度较大的桥梁，适宜将体外预应力与其他方法搭配使用。

3 体外预应力混凝土结构加固体系研究

从国内采用体外索体系加固的桥梁实例来看，主要有以下5种构造形式（见图2所示）。

按受力筋是否为整体将体外索加固体系分为三大类：第一类是水平方向钢筋与弯起钢筋由两根独立的钢筋组成，弯起钢筋与水平钢筋在梁底部均与滑块相连，通过滑块的位置来控制张拉应力大小，或不改变滑块的位置，张拉弯起钢筋来提高水平钢筋的张力，弯起钢筋另一端可以锚固于梁顶（如图2a），也可置于梁腹板顶部（如图2 b）。第二类是水平方向钢筋与弯起钢筋由一根完整的钢筋（一般由高强钢丝、钢绞线）组成，可以在梁底部位置张拉水平向钢筋 （如图2c），也可在梁顶部位置张拉弯起钢筋 （如图2d）。第三类是型钢和普通金属制品共同使用，弯起部分使用槽钢，将其固定在梁端楔形滑块上，水平筋则采用粗钢筋、钢丝绳、钢绞线或高强钢丝束，采用张拉水平筋的方式施加预应力（如图2e）。

图2 常用的体外索加固体系

4 二次效应的产生

体外预应力结构体系和体内无粘结预应力虽然都属于无粘结预应力，但有着本质上的区别。体内无粘结预应力是将整根预应力筋置于提前预留好的孔道内，钢筋被混凝土包裹在内部，虽然受力变形时各截面预应力钢筋与混凝土也存在变形不一致的情况，但总体相对位置不变，且不因挠度变形而变化。而体外预应力则是预应力钢筋全部置于结构体外，钢筋仅在梁端和弯起处与锚块相连，所以，受力时，只有锚固处因变形受限而未发生相对位置改变，其他位置预应力钢筋因没有约束，在变形时预应力筋与截面形心的距离越来越小，即产生了二次效应。二次效应的产生使得结构的受力状态和承载能力都发生了改变。

实验结果表明：二次效应使结构承载力有所降低，要想控制二次效应的影响，必须知道产生二次效应的原因和影响因素。经分析，影响因素主要有梁的高跨比（决定了构件的刚度和变形）、预应力钢筋的位置（决定了偏心距的大小，从而决定二次效应的影响程度）、滑块的位置与数量（决定了构件的跨度和弯矩大小）、预应力施荷大小（影响钢筋张拉松紧度，从而影响预应力效果）、混凝土的徐变等。

5 结 语

综上所述，对旧桥施加体外预应力产生的二次效应使得体外预应力梁的承载力低于体内无粘结预应力梁，梁的高跨比越大，二者的差异也越大，而我国大多数桥梁普遍具有较大高跨比的特点，无疑给工程安全带来了隐患，怎样建立一套切实有效的理论方法和实用措施、手段来减小因二次效应带来的体外预应力损失是今后很长一段时间我们应该努力的方向。