旧桥加固中的体外预应力应用

廖 倩,田 宁

(四川建筑职业技术学院，四川德阳618000)

桥梁是确保公路畅通的咽喉，其承载能力和使用性能又是贯通全线的关键。随着桥梁使用时间的增长，不可避免地会出现功能衰减、结构老化和破损的情况，或者因设计失当、施工质量差导致使用性能降低。如果桥梁出现了上述情况而又没得到及时有效的维修养护时，其使用性能将会受极大影响，一旦出现结构性破损，严重时有可能造成桥梁坍塌等灾难性的后果，对人们的生命、财产安全将会造成巨大的威胁。所以，认真分析导致桥梁损坏的原因，并有计划、有步骤地采取相应的维修加固措施，用较小的资金投入，达到延长桥梁的使用寿命且满足交通量的需求，是我国公路建设发展中具有战略意义和深远影响的迫切任务。

1 体外预应力理论计算

体外预应力按无粘结预应力混凝土理论计算，无粘结部分预应力混凝土是指采用无粘结预应力筋和普通钢筋混凝土配筋的部分预应力混凝土。无粘结预应力筋与混凝土不直接接触，不能形成一个均匀的整体，而是无粘结状态。在外荷载作用下，该结构中预应力筋束与混凝土横向、竖向存在线变形协调关系，在纵向可以相对周围混凝土发生纵向滑移。无粘结预应力混凝土的设计理论与有粘结预应力混凝土相似，增设的普通受力钢筋是为了改善其结构的性能，避免构件在极限状态下产生集中裂缝。

1.1 预应力钢筋数量估算

设计弯矩M对截面受拉边缘混凝土产生的拉应力：

σw=M/W

(1)

有效预加力：

(2)

预应力筋截面积：

Ay=Nye/σye

(3)

式中:Ah、Wh为分别为计算截面混凝土毛截面积及对受拉边缘的截面抵抗矩；ey为体外力筋两锚固合力点连线至净截面重心轴的距离；[σl] 为混凝土容许出现的拉应力；σye为扣除全部应力损失后的预应力钢筋有效预应力。

对A类构件，设计弯矩M取恒载弯矩Mg与活载弯矩Mp之和，并取[σL]=0.8RLb；对B类构件，设计弯矩M取恒载弯矩Mg，并取 [σL]=0。

体外折线形预应力筋为通长布置，以最大弯矩截面为控制截面估算截面积。

为方便设计，按照荷载短期效应组合作用正截面混凝土的应力状态，将部分预应力混凝土分为以下两类。

A类：正截面中混凝土的拉应力不超过限值，受弯构件拉应力限值为0.5γftk。

B类：正截面中混凝土拉应力超过拉应力限值。

1.2 加固体系的裂缝验算

用体外预应力筋加固的钢筋混凝土梁，虽然受力特性属于部分预应力混凝土结构，但其抗裂性则由于预应力钢筋在梁体之外，与混凝土无粘结作用，更趋于钢筋混凝土梁的性质。再者部分预应力混凝土梁的非预应力钢筋应力σg是从消压状态开始计算的，因此加固后桥梁的裂缝宽度计算仍采用现行桥规中钢筋混凝土梁的裂缝计算公式，即

(4)

式中:C1为考虑构件受力特征的参数，对于受弯构件，取C1=1.0；C2为考虑钢筋表面形状的系数，粗钢筋取C2=1.0；C3为考虑荷载作用的系数，荷载长期作用或多次重复作用时，C3=1.5。

各参数均按公路桥规取用。但在配筋率μ的计算中只考虑原梁中的非预应力筋的面积Ag；换算直径d0也仅由原梁中的非预应力筋直径计算。

考虑到被加固的梁为钢筋混凝土梁，其内多配置非预应力筋。因此，在上式的允许裂缝宽度[δf]仍然按钢筋混凝土结构考虑。

2 桥梁加固施工方案及操作要点

2.1 体外预应力束的线形布置

文章以某桥的T构箱梁为例进行介绍，将体外束均布置在T构箱梁空洞内部，采用折线形布置。为满足箱梁正截面抗弯强度以及抗剪强度要求，按照双悬臂梁受弯的特点，体外束布置在顶板下缘，并且通过设在牛腿上的锚固块锚固在箱梁悬臂的两端。

2.2 体外束的材料和张拉力

预应力钢束采用10φ15.2高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa,E=1.95×10 MPa,钢束的锚下张拉控制应力σcon=0.55,fpk=1 023 MPa,单根钢绞线张拉力为140.4 kN，伸长量为330 mm。

2.3 横隔墙、纵梁及锚固块施工

每个T构的一端设置一个横隔墙、四道纵梁和四个锚固块。横隔墙和锚固块为C50的聚丙烯混凝土，锚固块为普通的C50混凝土。新旧混凝土通过在原结构混凝土表面凿毛、种植钢筋并涂刷界面剂将其有效结合为一体。施工工序及要求如下：

(1)测量放线。用经纬仪在箱内按照钢绞线的设计线形进行精确放线，准确定出每个横隔墙、纵梁和锚固块的纵桥向和横桥向的中心线，从而确保每个部位位置精确，同时也保证了预应力钢绞线的线形。

(2)裂缝处理及沟槽凿出。在横隔墙、纵梁和锚固块施工前，对施工部位的梁体结构进行裂缝检查，当裂缝大于0.15 mm时，则进行灌胶处理。在裂缝注胶处理完毕且胶体强度达到100 %后，将混凝土表面凿毛，清除浮浆，露出新鲜混凝土，并在原有钢筋网的空当处间隔一定距离凿出约3 cm的剪力槽，以进一步增强新旧混凝土的连接。

(3)植筋、钢筋施工。植筋钻孔时应先用钢筋探测仪探测出原结构中预应力筋和普通钢筋的位置，如有冲突，则适当调整植筋钻孔的位置。植筋施工养护完毕后，用高压水冲洗老混凝土表面松散物和浮尘，露出坚实层。待水晾干后，酒精将新旧混凝土接触面擦拭干燥，涂刷界面胶。界面胶涂刷厚度要均匀，厚度控制在2 mm左右。

如钢筋与预应力管道有冲突，则适当调整钢筋的位置。

(4)转向器与预埋管的安装。按照设计图安装各转向架和锚固块的转向器和预埋管。在安装过程中，控制各部位的横桥向和纵桥向的尺寸，不能超出设计和规范的要求，特别是转向器的角度，应严格控制其精确度。如果转向器位于墩顶横隔板上，则采用水钻开孔，安装好以后，将转向器与原横隔板间的间隙用自密实补偿混凝土(或砂浆)填塞密实。

2.4 体外预应力施工

2.4.1 预应力束的下料与安装

为防止预应力束在下料过程中导致PE管损伤，则需要在现场准备若干定滑轮与动滑轮，在现场下料时将钢绞线放在滑轮上。在穿钢绞线时采用定滑轮与动滑轮组合的方式，保证钢绞线在穿送过程中HDPE外包管不受损伤。

2.4.2 预应力束张拉

(1)张拉力：依据设计要求，每束张拉力为1 404 kN。

(2)张拉千斤顶： YCW-250A，4台。

(3)张拉顺序：先张拉靠近外腹板的钢束，再张拉靠近箱梁中心线钢束。

(4)张拉原则：两端对称张拉，即在同一束钢绞线上，采取两端张拉；在同一幅桥沿箱梁纵向中心线左右对称的两束钢绞线，为防止梁体受扭，必须4台千斤顶同步张拉。张拉前调整千斤顶位置使其张拉力作用线与预应力筋的轴线重合。

(5)张拉控制：采取张拉力和伸长量双控的原则，以张拉力为主，伸长量为校核，实际伸长值与理论伸长值的差值控制在±6 %以内，超出误差时，现场暂停张拉，报于设计和监理人员，待查明原因并采取措施予以调整后，再继续张拉。

(6)分级张拉：先张拉至初应力(10 %σk)，然后分级加载至20 %、50 %、80 %、100 %σk，持荷2 min，回油自锚，退顶。张拉过程注意记录钢绞线伸长量，伸长量从拉至初应力时开始计起，计算实际伸长量时除实测伸长量外，尚需计入初应力时的推算伸长值。张拉程序如下：

(7)补拉: 预应力束全部张拉完毕后，最先张拉的预应力束会发生预应力损失，应对其进行补拉，使其达到设计要求的控制应力。

2.4.3 张拉注意事项

(1)转向块和锚固块混凝土的强度和弹模均达到100 %后才能进行张拉作业；

(2)张拉时桥上严禁一切车辆行驶；

(3)张拉结束后，预应力束应留有足够的锚固工作长度，为防止以后预应力松弛等情况下可以进行再次补拉；

(4)千斤顶和油泵等张拉机具应由专人使用和管理，并应经常维护，定期检验；

(5)为避免预应力束自有长度较长时产生振动，在梁段内设置防振装置。

3 结论

本文结合某公路大桥体外预应力法维修加固的工程的实例，探讨了桥梁体外预应力法加固设计，并系统地介绍了体外预应力法在桥梁加固中的施工要点、难点及重点，提出了解决施工问题中的方法及操作要点。通过工程实例，表明体外预应力加固法具有施工方便、可靠，预应力筋(束)可以单独防腐甚至可以更换等特点，可以为类似桥梁的体外预应力法维修加固施工提供参考。