体外预应力加固设计方法研究

段伟峰

（广东粤路勘察设计有限公司，广东 广州 510000）

近年来，我国的交通业取得了长足的发展，为满足大量货物的有效运输，许多重型车辆应运而生。重型车辆虽然能在运输能力上得到保证，但是在行驶的过程中使得公路和桥梁负荷加重，导致公路和桥梁的运营状况不断恶化，最终很多使用时间较长的桥梁出现过度老化，甚至会出现破损严重的情况。在桥梁最初设计时，其设计荷载等级较低，也是导致桥梁损伤和老化的重要原因。为防止已建的老化、损伤，或者荷载等级较低的桥梁在现有交通量通行下结构不受到破坏，需对桥梁采用加固的方法以延长其使用寿命，而体外预应力加固技术可以很好地达到加固效果。

1 体外预应力加固桥梁结构体系的构造

1.1 体外预应力结构的锚固系统

体外预应力锚固体系的主要部件有锚具、锚固块及钢垫板等，锚固体系通常分为两类，分别为可更换式和永久式。

1.2 体外预应力结构的减振系统

对于体外预应力结构，主要对梁体与体外筋进行固有振动特性分析，因为体外预应力筋只能借助转向块和锚固端给予混凝土梁体一定压力，才能在加载过程中传递力的变化，然而并没有对转向块起到限制作用，所以和体内预应力筋不同，其变形和振动皆脱离梁体。分析体外预应力结构振动的特性是为了当结构振动受外力影响时，能够确保梁体、体外预应力筋所固有的振动频率和外动力荷载的频率有所不同，防止梁体、体外预应力筋以及外动力荷载出现共振。体外预应力加固梁的振动主要受到梁体及体外预应力索的影响。

桥体外索减振装置主要是通过选择减振横梁配合减振支架的方式来进行设置，具体构造如图1所示。具体操作如下：（1）在箱梁两腹板中间部分放置减振横梁，确保方向为横向。横梁由两根槽钢组成，将其放置于体外索下方，且紧挨护套管放置。（2）在横梁两侧用钢板进行锚固，同腹板连接，并按照6m的间隔距离逐个固定减振横梁。减振支架包括垫块、套管和支架三个基本结构，其中垫块使用橡胶材质，套管为半圆形钢材料，二者用来帮助紧固松散的体外束，然后使用钢支架将体外束设置在减振横梁上，将上方护套管拆除。为了增强整体的稳定性和牢固性，需要在护套管中设计一种由橡胶垫和钢板组成的收紧装置，用来让体外束更加紧密，如图2所示。此装置一般按照3m的间隔进行安装。

图1 桥体外索减振装置构造图

图2 体外束收紧装置

1.3 体外预应力筋的转向系统

体外预应力筋转向系统是体外预应力桥梁中的关键结构部件，直接关系着预应力受力系统的状况。转向系统相对而言较为特别，自身不仅装置锚固结构，还要承担体外索的方位调整工作。预应力折线筋的形成受到转向块的制约，当转向块对预应力筋方向做出调整后，可以形成这种折线筋。转向块的受力形式比较复杂，偏大的集中作用力以及相关的摩擦力等都会产生影响。转向系统的分类可以根据作用特点的不同进行分类，在传载结构上可以分为两类，分别用于横纵向装置。一种是承压型，通常在矩形或T形状箱梁中横向安装，这是一种将受力转化为压力，通过荷载传递同原装置相连；另一种为剪切型，主要用于纵向固定，是一种利用剪力进行荷载传导的作用形式。在桥梁加固的具体实施过程中，对其进行布筋时，由于空间有限，转向块处的钢束的弯起角度过大或钢束半径过小，将会对体外预应力的强度产生一定影响，因此应尽量降低体外预应力筋的张拉控制应力，通常情况下，张拉控制应力可取钢束标准强度的0.40～0.65。且需要注意的是，在进行张拉时，应以强度控制为主、引伸量控制为辅。

2 体外预应力转向装置设计

2.1 转向装置配筋设计

在设计计算混凝土梁桥时，国外专家对结构做出了两种类型的区域划分，分别是B区和D区。前者可以通过内力合计判断截面应力状况，这种截面应变分布能够与预设的平截面区域一致。未发生开裂的情况下，可以根据面积、惯性矩等相关数据分析应力大小。同理，在已经发生开裂的状况下，则需要结合桁架模型辅助计算。D区和B区相比，在截面的应力状况明显表现为非线性特点，受到空间分布不连续等因素的干扰。我国目前的相关研究主要针对B区展开。根据受弯部件做出研究，常规条件下正常使用达到的极限状况以及受应力下的极限状态需要结合截面进行计算，以此作为基础，而在当前有关D区的混凝土桥梁理论研究中探讨的内容少之又少。在实际的桥梁施工活动中，受制于D区受力状况的复杂性以及相对烦琐的构造条件，在缺少科学的指导性规范环境下，这种依赖于以往经验进行结构设计的D区往往会存在一些问题，如产生结构性裂缝等。关于受拉型块式转向结构破坏的类型一般有三种：箍筋受损、梁作用破坏、剪切破坏。按照相应的受力作用以及破坏特点可以设计相应的拉压杆装置，如图3所示。

图3 转向块的拉压杆计算模型

2.2 钢结构锚固转向体系构造设计

锚固体系和转向体系是体外预应力加固的重要部位，在受力方面较为复杂，因此在设计方面对其要求也较高，除了需具有较大的轻度，也要有较高的可靠度。

（1）锚固体系。钢结构锚固体系使用十分广泛，其基本组成构造包括若干部件，如底座、传力板、隔断板、垫板、加力和粘贴装置、黏结胶体、锚栓等。钢锚箱构造具有灵活性，能根据桥梁工程的具体特征做出调整，且强度和刚度都较大，施工快速方便，受力较明确，然而，其也存在易生锈的缺点，对防护要求较高。影响锚箱构造的因素一般是桥梁结构、固定位置以及所需的预应力。在完成仿真分析以及多次实践的磨合后，钢锚箱的设计便可以根据需要做出改动，在桥梁工程结构、锚定位置等方面自行设计，可见钢结构的锚固体系适应性和实用性较强。选择锚栓时通常会选择承载力大、膨胀较小的大吨位锚栓进行锚固，此锚栓承受动荷载能力较强。

（2）转向体系。体外索在桥梁箱梁中的平弯和竖弯需要根据锚固要求来进行确定和设置，需设置体外预应力的转向装置。钢结构形式的转向体系的结构主要有转向支架、转向器以及连接用具。其中，经常用到的是转向支架，比如当箱梁内净高1.0～3.5m、体外预应力钢束转向和通过2～10束时，将转向支架用于箱梁较低的设计中，这种转向结构可直接连接顶端和底板。利用这种方法持续推进桥梁加固时，应在桥跨的1/4～1/2处允许墩顶部位可以根据需要自行调整，不必完全依赖横隔板来实现。在施工过程中，虽然各种转向装置的基本构造和外形特征具有统一性，但是实际设置参数则应该以钢绞线结构特征为依据。和原有的桥跨连接方式不同，不能只简单取决于尺寸和数量，还要考虑到箱型界面规格、加受预应力形成的多变束数、作业人员通行需要等，结构变化比较明显。

3 结束语

综上所述，在加固桥梁时，选择体外预应力加固技术不仅能够增强既定桥体自身的抗弯和抗剪承载水平，还能够提高实际施工环节中使用材料的利用率，同时减少管道摩擦损失。且在作业时，预应力筋使用灵活，同时也具有安全可靠等特点。通常情况下，体外预应力加固技术拥有其他结构鲜明的使用优势，如能针对具体结构调换索。随着研究的进一步深入及新材料的不断投入使用，必定会为体外预应力技术的不断完善提供更好的条件，从而为桥梁体外预应力加固技术的更好发展提供广阔前景。