体外预应力技术在桥梁加固中的应用

高毅

【摘 要】随着交通工程的快速发展，桥梁工程成为人们关注的重点，体外预应力加固技术由于布置灵活、安全可靠、施工较为简单在桥梁工程中广泛应用，体外预应力加固技术可以大幅度有效提高桥梁的承载能力，而且还能随时实现调索和换索作业，这些优点是非常具有实用性的。基于此，本文就体外预应力在桥梁结构中的应用进行分析与研究。

【关键词】体外预应力；桥梁结构；应用

一、体外预应力加固技术概念及优缺点

（一）体外预应力桥梁加固的概念

所谓体外预应力（简称体外索）加固是通过增设体外预应力索（包括钢绞线、高强钢丝束和精轧螺纹钢筋）对既有混凝土梁体主动施加外力，以改善原结构的受力状况的加固方法。

体外预应力加固桥梁结构是一种效果较好、使用较广的方法，它是在桥梁结构的受拉区施加体外预应力，使其产生与原桥的不利弯矩方向相反轴向压力和弯矩，以抵消部分自重应力减小活载应力，从而提高桥梁的承载能力。我国体外预应力技术的研究工作开展的相对较少，主要应用于对旧桥梁的加固。

（二）体外预应力加固技术的优点

1.预应力筋只是在锚固处或转向处与结构相连，大大减小了摩擦阻力损失，进而提高了预应力的使用效率；

2.预应力的布置较为灵活，可以针对桥梁具体的病害进行局部加固；

3.体外预应力锚固构件的尺寸和自重小，但对提高结构承载能力很大；

4.和构筑物不會产生粘结，应力变化小，这对调整构筑物的受力非常有利；

5.体外的钢索可以随时调整和更换，有利于以后的维护工作。

（三）体外预应力加固技术的缺点

1.体外钢索长期置于外部空气中，易受到外部环境的影响，防腐及其他保护工作较为繁多；

2.锚固和转向部位易产生应力集中现象，局部应力过大，对锚固施工的要求较高；

3.对锚具和夹片的质量及施工要求较高，不然体外钢索强度大的优点难以发挥；

4.体外预应力筋的变形难以与混凝土结构变形保持一致，这就会造成预应力损失。

二、工程概况

某机场高速K17+221大桥为25 m小箱梁桥，第5跨共有15片小箱梁，桥面宽22.7m。其主要病害表现为预应力小箱梁的底板横向开裂、腹板竖向开裂、腹板斜向开裂。梁体底板普通存在横向裂缝，根据荷载试验、结构验算结果分析该裂缝为受力裂缝，试验跨梁体预应力存在不足。针对结构病害现状，通过加设预应力的方式对梁体进行加固，以提高梁体尤其是小箱梁跨中截面正应力储备和改善梁体的受力性能。对蚌湖大桥R5跨张拉体外预应力，即在箱梁的端部和四分点位置设置锚固块和转向块，通过穿设成品钢绞线，待锚固块和转向块达到设计强度后，张拉体外预应力（图1）。

三、体外预应力加固技术施工

（一）锚固块和转向块施工

1.放样定位

（1）滑块垫板及锚固支座位置的放样定位

沿梁底从锚同实际中心（投影点）向跨中方向量取滑块垫板的中心位置及跨中位置。分别标记在梁底的两侧，并将垫板的平面尺寸绘在梁底面上，标出有关螺栓的孔位，在垫板放样中可以不计梁的挠度影响。

2.上锚固点的放样定位

（1）斜筋上锚固点位于梁顶或梁端面时，以单梁顶（端）面的纵轴线为基准，沿纵桥向测量锚同点距梁端的距离。

（2）锚固点位于粱端时，应量取锚圈点距梁底或梁顶面的垂直距离，再沿横桥向对称最取上锚周点的横向距离，标出锚同点的理论位置。由于梁的顶板和腹板中均有钢筋存在，特别是受力钢筋。在进行锚固点放样时，可将锚固点位置适当调整以避开这些钢筋，切记不应将其切断。

3.上锚固点设置

当上锚固点设在梁顶及梁端顶面时，需要按设计的斜筋穿出位置，在桥面板或梁顶面凿穿两个具有与斜筋角度相同的斜孔。首先把桥面铺装层凿去，将梁顶面混凝土保护层凿去，露出钢筋，再将锚园垫板处的混凝上进行细凿。按斜孔的设计角度做一个凿孔架，将凿岩机的钻杆放入凿孔架的槽内，使钻头中心对准理论锚同点，然后再进行凿孔，以便凿好斜孔。上锚固孔凿完之后，将梁顶面混凝土清理干净，除去混凝土碎渣。然后，在开凿后的混凝土表面涂一层环氧胶液，再用环氧水泥砂浆铺平。最后将上锚冈设在梁顶时，应保证锚垫板的上表面与梁顶面平齐，或略低一点，以确保锚周点上有尽可能厚的混凝土保护层。

4.转向装置

转向装置是实现体外索加同的重要构件，其传载方式和自身性能也是影响预应力施加效果的关键。体外预应力混凝土结构的预应力筋必须通过转向装置改变方向，从而形成设计的预应力筋曲线形式。在转向装置与预应力筋的接触区域，由于摩擦和横向力的挤压作用。如果转向装置设计不合理或构造措施不当，预应力钢材容易产生局部硬化和摩阻损失过大。转向装置的设计要求预应力筋在折角点的位置必须高度准确，避免产生附加应力，转向装置在结构使用期内也不应对预应力钢材有任何损害。另外，转向装置的加工应在加工厂进行，严禁在现场加工，现场安装中，要严格按图纸进行，在运输及焊接过程中，应采取措施防止焊接变形。穿束前应拉线确定安装是否合适。

（二）体外预应力加固施工

1.预应力钢绞线下料和穿束

下料长度除了按照设计长度和施工工艺的选择来计算确定，还应考虑两张拉端的张拉长度。钢绞线切割后平放地面上，用胶带缠包好钢绞线的端头。钢绞线下料完成后，把每根钢绞线编号，以便能清楚区分。采用人工逐根进行穿束。 将每一束的钢绞线利用单根穿索法进行穿束，第一根穿布完毕由人工牵引顺直，锚固端外露长度必须满足张拉工艺要求。为防止在施工过程中损伤钢绞线上的环氧涂层和外包PE层，在穿束过程中要做好钢绞线的保护工作，以免破坏PE保护层，从而影响钢绞线的防腐蚀能力。

2.预应力钢绞线的张拉

预应力张拉工艺流程：钢绞线穿束→安装工作锚→安装配套限位板→安装千斤顶→安装配套工具锚→两端对称张拉→张拉力15%→张拉力30%→张拉力 100%→张拉力 103%→持荷 2 min锚固→校对伸长值合格后进行下一束张拉→张拉作业完成。

预应力钢束张拉控制力为1 116 MPa，预应力钢束必须待混凝土立方体强度达到混凝土设计强度等级的 90%，弹性模量达到设计值的100%，且混凝土龄期不小于 7 d，方可张拉，钢束采用两端张拉。通过对千斤活塞的伸长量进行量取便可对张拉伸长量进行推算。施加预应力应采用张拉力与伸长量双控，当预应力钢束张拉达到设计张拉力时，实际伸长量值与理论伸长量值得误差应控制在6%以内。钢束张拉完毕后严禁撞击锚圈、锚塞及钢铰线，钢铰线多余部分用氧炔切割，严禁用电弧切断。钢束张拉完成并切去多余部分后，在箱梁两端锚头设置连接带阀门压浆嘴的接口和排气孔。

3.管道注浆

浇筑前应检查波纹管是否密封，防止浇筑混凝土时阻塞管道。本项目注浆采用C50水泥浆。张拉完钢束后应及时压浆，用空压机对钢束孔道进行清理，吹去孔道內积水、杂物后用活塞式压浆机向孔道内压浆。水泥浆由525#硅酸盐水泥和水组成通过试验可掺入适量的膨胀剂，水泥的强度等级不宜低于40 MPa，施工中严格控制水泥浆的水灰比，稠度控制在14～18 s之间，压浆应饱满，不得有空隙。压浆时需让出口孔冒出与压入的水泥浆浓度相同的浆液，并且流出浆液的喷射时间≮11 s后，才能将出浆口封闭。然后继续压浆待压力最少升至0.5～0.7 MPa，封闭进浆口。在水泥浆初凝前，不得松动封闭的进出口。

四、体外预应力应用前景

体外预应力在桥梁加固中的应用技术具有极大的优越性：体外预应力筋布置在构件截面以外，其灌浆质量和锈蚀状况便于检查，可以修补或更换；由于体外预应力筋的变形与混凝土截面不协调，力筋的应力沿长度方向分布均匀，变化幅度小，由应力变化引起的疲劳影响小；可较大幅度地提高结构的承载能力和结构刚度；能够有效的控制原结构的裂缝和挠度，使裂缝部分或全部闭合，能够控制和调校体外索的应力。

体外预应力加固技术在国外应用的比较广泛。加拿大1979年建成的格朗梅尔桥，从建成到1986年，跨中平均挠度达300mm，且随季节温度的变化而变化，1991年对该桥实施体外预应力加固，从加固后的实测挠度看，挠度随时间变化趋向平稳，挠度得到很好的控制，表明加固效果良好。法国的Oleron高架桥，因承载力不足，于1990年采用4束35×0.6预应力钢索进行体外预应力加固。瑞典Massongex高架桥，建成后8个月，主跨跨中出现了113mm的挠度，且挠度随时间线性增加，1990年采用8束VSL12×0.6的预应力钢索进行体外预应力加固，加固后挠度和裂缝得到了有效控制。日本采用该项技术加固了一座两跨（2×105.27m）预应力混凝土连续梁。

在我国，从20世纪80年代开始，技术人员做了大量的研究工作，并在实际工程中成功地运用体外预应力对桥梁进行加固，收到了很好的经济效益和社会效益。这一时期桥梁加固所用的预应力钢筋多采用普通I或II级钢筋，建立预应力的方式为横向收紧法或竖向顶撑法。由于受到选材和施工工艺的限制，体外预应力加固在大跨度结构中的应用难以实现。因此，当时所加固的多为中、小跨径的钢筋混凝土简支梁体系。其中典型的工程实例有：福建省南平电机厂专用桥、浙江省奉化桥、陕西省周至渭河桥等。随着预应力技术的发展，近年来，体外预应力技术也用来加固跨径较大的桥梁，如沪杭公路郭家村桥、杨高路春申河桥等，预应力空心板桥也采用了体外预应力进行加固，经实桥检测表明，加固效果良好。今后随着体外预应力技术的发展成熟，它将带来更大的经济效益和社会效益。

结束语

公路桥梁工程是现代化社会发展的基础工程项目之一，其正常使用有利于推动社会经济的健康发展，从而实现国民经济的可持续发展。但是公路桥梁的长期使用必然会影响到结构的承载能力与使用寿命，这就需要我们采用体外预应力加固技术对其进行加固。体外预应力加固方法是一种新型加固方法，具有应用效果好等优点，受到业界人士的广泛观注，通过上述，浅要分析了该方法的特点、施工原理以及施工要点，相信大家已有所了解，在未来的社会发展中，该项技术必然会不断优化，从而实现公路桥梁事业的健康发展。

参考文献：

[1]许威.连续刚构桥体外预应力加固关键技术研究[D].重庆交通大学，2013.

[2]张威.体外预应力技术在混凝土桥梁建设中的应用[D].天津大学，2007.