浅谈桥梁预应力加固技术
发表时间：2017-8-24 11:22:39 阅读次数：
预应力加固技术在土木和建筑方面应用非常广泛，可以说预应力加固技术在公路桥梁工程中的应用更有应用价值。这种技术主要是解决如何针对桥梁结构出现的问题进行加固维护，主要是桥梁的布置特点和抗弯承载力的要求，进行预应力筋的加固补强的设计理念基本上满足需求，是可行的。以下将结合公路梁预应力的加固技术进行分析。
1 公路桥梁预应力加固技术的工作原理
预应力加固技术不同于广义的预应力技术，它只是将后张法的体外预应力技术用于结构加固，属于部分预应力，不是全预应力。其工作原理是为了抑制现有结构的某一部分继续变形与裂缝，或者约束已有变形或裂缝使之恢复或闭合，以保持结构的整体性；也为了防止某一部位可能产生新的拉应力引起新的裂缝。其具体措施是：给需要考虑加固的结构部位施加部分预压应力，以消除结构内可能产生的拉应力，抑制裂缝，并达到整体加固的目的。
1.1 预应力路径 预加应力既然是对结构构件内部施加压应力，那就必须保证压应力只产生在结构构件的拉应力区，而不要产生在压应力区，否则就会适得其反，使受压区的压应力超限，导致更可怕的脆性破坏。因此，关于体外预应力的齿板（锚拉点）位置与构造以及张拉索走向、张拉力强度，都必须经过仔细设计；此外，对加固件可能出现的导致裂缝的拉应力强度，也必须先经过仔细计算，做到心中有数，以便适当控制张拉吨位。
1.2 预应力机具 根据体外预应力和局部预应力或部分预应力的工作特点，不存在埋管穿线和注浆等复杂问题。为了尽量回避障碍，减少对构件的伤害和对已有张拉管线的干扰，应尽量避免长线张拉、大吨位（集中）张拉，而以短线分散张拉为主。因此，可尽量避免使用钢绞线而以高强钢丝或精制螺纹钢代替。张拉机具应简易、轻便，一般不使用台座式油压千斤顶张拉，而代之以拉杆式手压千斤顶，甚至以螺杆扣紧方式进行张拉。张拉以后考察一定时段，证实裂缝已经稳定，再锁定张拉端，在张拉线（筋）表面抹丹强丝水泥砂浆保护层，或喷射混凝土保护层，可起到封闭裂缝及保护张拉线和加固件的综合效用。
2 原因分析
大跨度预应力钢筋混凝土箱梁桥的开裂原因显然是多方面的，必然很复杂。有些是设计构造不合理，主要表现在设计思想从力学平衡方面考虑得多一些，从变形协调和本构关系合理方面考虑得少一些，因而必然出现腹板和顶、底板的厚度及配筋不相适应，不满足实际需要的问题；也有些是施工程序安排不合理和施工质量不保证的问题。但作为一个普遍存在的现象来考察，其主要原因还是存在于预应力张拉工艺上。作为全预应力设计，其主导思想和设计意图是：通过预加压力，使在结构的每一拉应力区都能产生一定的预压应力，以便全部或部分抵消结构正常服务期间出现的各种拉应力，以抑制结构裂缝的出现。出现裂缝现象表明，主梁纵向预应力张力的张拉力度是足够的，所以梁底并不出现弯曲张拉裂缝。但横向张拉力度和竖向张拉力度就不一定够，横向张拉力度如果能够确保，桥面几十米长的纵向贯通裂缝就绝对不会出现。存在最普遍的问题可能是关于纵向预应力的分布情况和扩散范围。纵向预应力束的主要走向在纵梁底部，由于纵梁刚度大，相对来说，腹板和顶、底板的纵向刚度很小，预应力很可能集中出现在纵梁梁底的有限范围内，并没有向腹板和顶、底板内扩散。因为应力的传递是随结构刚度的变化而变化的，顶、底板和腹板刚度不足，应力就传递不过去，也就是顶、底板和腹板的中轴附近很可能是预应力完全失效区，根本不存在预压应力。在荷载效应或变形失调引起的拉应力偏大，而构造配筋不足的情况下，必然引起腹板中腰附近的枣核形竖直裂缝和顶、底板中线附近的横向裂缝。此外，预应力张拉松弛，预应力埋管偏位，尤其是梁底纵向预应力埋管在接近支座处的负弯矩区时，应向上转弯抬起，如果起弯点选择不当，弯起量不够或出现硬弯、偏位等现象，都会引起支座附近主拉应力放大，导致45°倾斜的主拉应力裂缝。如果起弯点离支座太近，则在支座附近的梁中性轴以下可能出现过大的预压应力，这个预压应力与支座负弯矩产生的中性轴以下受压区的压应力及强大的竖向剪应力叠加组合后，必然形成强大的正八字形倾向的主拉应力，与正常的主拉应力方向正好相反，裂缝倾向也就与正常方向相反，形成反常的倒八字形裂缝。倒八字形裂缝属于剪压型裂缝，引起的破坏将是脆性破坏，具有极大的危险性，必须引起高度注意。 3 预应力损失估计和减少预应力损失的措施
预应力损失主要指由于预应力加固过程中的一种工作状况问题，由于加固件自身和结构而引起的变形，这些问题都是在桥梁进行预应力加固补强过程中出现的问题，产生这类现象的因素包括：①基础和地基的沉降；②被加固件因为某些原因产生收缩而引起；③加固件本身的因素；④加固件的节点和变形的结构；⑤温度的影响产生的应变，在对桥梁预应力加固时，因为以上这些因素的影响，就会产生比较大的预应力损失，这种损失是不可忽视的，因此，在加固施工的过程中，要考虑和估算损失量，这样才会在进行预应力加固过程中，将这些因素放进去，预留一些构造的措施，从而将预应力加固的数据调整并优化的数值。
在针对预应力加固的数值进行设计计算时，必须先将加固前后的结构受力图绘制出来，并进行内力的变化分析。加固件的工作应力数值必须要符合所需要的原有结构预期加固的数值，如上所述，就要将预应力损失量考虑进去，即加固件在进行加固技术之后产生的预应力的数值应当是两者之和，而预应力加固产生的预应力损失量需要根据相关计算资料和经验进行估算和计算，因为这些数值是不方便测量出来的，在这样的情况下，就需要设计师将因素尽可能的考虑周全，将预应力损失的数值降到最低误差，使预应力加固的数值更加接近预期的数值。应采用双侧撑杆进行加固采用双侧预压力撑杆加固弯矩变号的偏心受压钢筋混凝土柱时，可按受压荷载较大一侧用单侧撑杆加固的步骤进行计算。选用的角钢截面面积应能满足柱加固后需要承受的最不利偏心受压荷载；柱的另一侧应采用同规格的角钢组成压杆肢，使撑杆的双侧截面对称。预应力加固法具有许多优点，如加固效果好工作可靠，可以减少或限制结构的裂缝和其他变形；对桥梁营运使用的影响较小，可在不限制通行的条件下完成加固施工；在人力，物力和资金消耗方面也具有明显的经济合理性。因此，预应力加固法既可作为桥梁通过重车的临时加固手段，又可作为永久性提高桥梁荷载等级的措施。其预应力补强加固一般采用预应力拉杆，常用的拉杆体系有三种：水平预应力补强拉杆、下撑式预应力补强拉杆以及组合式预应力补强拉杆。
4 有粘结预应力在桥梁加固中的应用
有粘结预应力加固体系，以其预应力筋锚固简单，张拉施工方便和结构耐久性高的技术优势，受到国内外土木工程界的重视。有粘结预应力加固体系特别适用于中、小跨径的钢筋混凝土T形梁和空心板梁的加固，尤其是对高速公路和城市立交工程中大量采用的中等跨径的钢筋混凝土及预应力混凝土连续箱梁桥，由于受箱梁高度限制，在箱内布置体外预应力筋有困难的情况下，采用在箱梁底部增设预应力筋，然后喷注高性能抗拉复合砂浆的有粘结预应力加固体系是理想的加固方案之一。采用竖向顶撑法进行加固，预应力筋的两端用U形钢板进行锚固。为防止其下滑，在U形锚固板的端部用四个膨胀螺栓加以固定。张拉方法为竖向千斤顶顶撑法。待顶撑到位后，在支撑点和预应力筋之间垫以钢板，并用点焊固定，最后用细石混凝土将预应力筋粘结在原梁上。
一般而言，因为受到原梁钢筋架体的影响，可采用一些膨胀的螺栓或者焊接来对固定预应力的筋的支承角钢，来对固定的方法，预应力加固补强后，可以根据桥梁的骨架高度的范围进行截面的焊接从而达到预应力的目的，，形成下焊接缘马蹄形截面。底面HTCM砂浆保护层将预应力筋与被加固梁体粘结为整体，侧面的HTCM砂浆增加了原梁钢筋骨架的保护层厚度，使结构的耐久性提高。用于斜截面加固的预应力筋可以采用2股或3股钢绞线、高强螺旋肋钢丝或小直径精轧螺纹钢等国产钢材。对某些以提高后加补强材料利用率为主要目的的情况，甚至可以采用小直径的HRB400钢筋做预应力钢筋。钢绞线或螺旋肋钢丝可采用小型夹片锚锚固，用小型千斤顶张拉。小直径粗钢筋可采用螺帽锚具锚固，用小型千斤顶或测力扳手拧紧螺帽进行张拉，亦可采用横向拉紧变形法进行张拉。为了使加固的构件与原柱更好地协同工作，并保证原柱在后加荷载作用下的安全，考虑到柱为偏心受压构件，初步确定选用单侧撑杆预应力加固法，张拉方法采用横向张拉法。外粘型钢加固法优点是构件截面尺寸增加不多，而构件承载力可大幅度提高，并且经加固后原构件混凝土受到外包钢的约束，原柱子的承载力和延性得到改善。同时，此法还具有施工简便、工期短等特点，目前广泛用于加固钢筋混凝土柱、梁、桁架弦、腹杆。采用外粘型钢加固混凝土结构构件时，应使用改性环氧树脂胶粘剂进行灌注。
例如，某桥为跨径5X45m采用顶推法施工的预应力混凝土连续梁桥。由于顶推施工过程的受力需要，在箱梁的腹板的内没有配置弯起预应力束，斜截面剪力全部由混凝土和箍筋承担。近年来由于车辆严重超载，箱梁的腹板出现了大量的斜裂缝，裂缝宽度一般为0.2-0.4mm，个别裂缝宽度达1.5mm。验算结果表明，该桥正截面抗弯承载力满足要求，主要问题是斜截面抗剪承载力不足，由于主拉应力偏大导致大量的斜裂缝。建议采用有粘结竖向预应力筋对出现严重斜裂缝的区段斜截面进行加固补强。在箱梁腹板两侧增设竖向预应力筋，提高斜截面抗剪承载力。预应力筋采用中Ф8.6的三股钢绞线，间距为100-200mm（具体数据应按斜截面抗剪承载力受力要求确定）。预应力筋采用小型千斤顶张拉，采用小型夹片锚将预应力筋锚固于固定在腹板上的支承角钢筋上。预应力筋张拉后，在腹板两侧喷注30mm厚的HTCM砂浆，加大截面尺寸，减小主拉应力，保护钢筋免于腐蚀，以提高结构的耐久性。
1 公路桥梁预应力加固技术的工作原理
预应力加固技术不同于广义的预应力技术，它只是将后张法的体外预应力技术用于结构加固，属于部分预应力，不是全预应力。其工作原理是为了抑制现有结构的某一部分继续变形与裂缝，或者约束已有变形或裂缝使之恢复或闭合，以保持结构的整体性；也为了防止某一部位可能产生新的拉应力引起新的裂缝。其具体措施是：给需要考虑加固的结构部位施加部分预压应力，以消除结构内可能产生的拉应力，抑制裂缝，并达到整体加固的目的。
1.1 预应力路径 预加应力既然是对结构构件内部施加压应力，那就必须保证压应力只产生在结构构件的拉应力区，而不要产生在压应力区，否则就会适得其反，使受压区的压应力超限，导致更可怕的脆性破坏。因此，关于体外预应力的齿板（锚拉点）位置与构造以及张拉索走向、张拉力强度，都必须经过仔细设计；此外，对加固件可能出现的导致裂缝的拉应力强度，也必须先经过仔细计算，做到心中有数，以便适当控制张拉吨位。
1.2 预应力机具 根据体外预应力和局部预应力或部分预应力的工作特点，不存在埋管穿线和注浆等复杂问题。为了尽量回避障碍，减少对构件的伤害和对已有张拉管线的干扰，应尽量避免长线张拉、大吨位（集中）张拉，而以短线分散张拉为主。因此，可尽量避免使用钢绞线而以高强钢丝或精制螺纹钢代替。张拉机具应简易、轻便，一般不使用台座式油压千斤顶张拉，而代之以拉杆式手压千斤顶，甚至以螺杆扣紧方式进行张拉。张拉以后考察一定时段，证实裂缝已经稳定，再锁定张拉端，在张拉线（筋）表面抹丹强丝水泥砂浆保护层，或喷射混凝土保护层，可起到封闭裂缝及保护张拉线和加固件的综合效用。
2 原因分析
大跨度预应力钢筋混凝土箱梁桥的开裂原因显然是多方面的，必然很复杂。有些是设计构造不合理，主要表现在设计思想从力学平衡方面考虑得多一些，从变形协调和本构关系合理方面考虑得少一些，因而必然出现腹板和顶、底板的厚度及配筋不相适应，不满足实际需要的问题；也有些是施工程序安排不合理和施工质量不保证的问题。但作为一个普遍存在的现象来考察，其主要原因还是存在于预应力张拉工艺上。作为全预应力设计，其主导思想和设计意图是：通过预加压力，使在结构的每一拉应力区都能产生一定的预压应力，以便全部或部分抵消结构正常服务期间出现的各种拉应力，以抑制结构裂缝的出现。出现裂缝现象表明，主梁纵向预应力张力的张拉力度是足够的，所以梁底并不出现弯曲张拉裂缝。但横向张拉力度和竖向张拉力度就不一定够，横向张拉力度如果能够确保，桥面几十米长的纵向贯通裂缝就绝对不会出现。存在最普遍的问题可能是关于纵向预应力的分布情况和扩散范围。纵向预应力束的主要走向在纵梁底部，由于纵梁刚度大，相对来说，腹板和顶、底板的纵向刚度很小，预应力很可能集中出现在纵梁梁底的有限范围内，并没有向腹板和顶、底板内扩散。因为应力的传递是随结构刚度的变化而变化的，顶、底板和腹板刚度不足，应力就传递不过去，也就是顶、底板和腹板的中轴附近很可能是预应力完全失效区，根本不存在预压应力。在荷载效应或变形失调引起的拉应力偏大，而构造配筋不足的情况下，必然引起腹板中腰附近的枣核形竖直裂缝和顶、底板中线附近的横向裂缝。此外，预应力张拉松弛，预应力埋管偏位，尤其是梁底纵向预应力埋管在接近支座处的负弯矩区时，应向上转弯抬起，如果起弯点选择不当，弯起量不够或出现硬弯、偏位等现象，都会引起支座附近主拉应力放大，导致45°倾斜的主拉应力裂缝。如果起弯点离支座太近，则在支座附近的梁中性轴以下可能出现过大的预压应力，这个预压应力与支座负弯矩产生的中性轴以下受压区的压应力及强大的竖向剪应力叠加组合后，必然形成强大的正八字形倾向的主拉应力，与正常的主拉应力方向正好相反，裂缝倾向也就与正常方向相反，形成反常的倒八字形裂缝。倒八字形裂缝属于剪压型裂缝，引起的破坏将是脆性破坏，具有极大的危险性，必须引起高度注意。 3 预应力损失估计和减少预应力损失的措施
预应力损失主要指由于预应力加固过程中的一种工作状况问题，由于加固件自身和结构而引起的变形，这些问题都是在桥梁进行预应力加固补强过程中出现的问题，产生这类现象的因素包括：①基础和地基的沉降；②被加固件因为某些原因产生收缩而引起；③加固件本身的因素；④加固件的节点和变形的结构；⑤温度的影响产生的应变，在对桥梁预应力加固时，因为以上这些因素的影响，就会产生比较大的预应力损失，这种损失是不可忽视的，因此，在加固施工的过程中，要考虑和估算损失量，这样才会在进行预应力加固过程中，将这些因素放进去，预留一些构造的措施，从而将预应力加固的数据调整并优化的数值。
在针对预应力加固的数值进行设计计算时，必须先将加固前后的结构受力图绘制出来，并进行内力的变化分析。加固件的工作应力数值必须要符合所需要的原有结构预期加固的数值，如上所述，就要将预应力损失量考虑进去，即加固件在进行加固技术之后产生的预应力的数值应当是两者之和，而预应力加固产生的预应力损失量需要根据相关计算资料和经验进行估算和计算，因为这些数值是不方便测量出来的，在这样的情况下，就需要设计师将因素尽可能的考虑周全，将预应力损失的数值降到最低误差，使预应力加固的数值更加接近预期的数值。应采用双侧撑杆进行加固采用双侧预压力撑杆加固弯矩变号的偏心受压钢筋混凝土柱时，可按受压荷载较大一侧用单侧撑杆加固的步骤进行计算。选用的角钢截面面积应能满足柱加固后需要承受的最不利偏心受压荷载；柱的另一侧应采用同规格的角钢组成压杆肢，使撑杆的双侧截面对称。预应力加固法具有许多优点，如加固效果好工作可靠，可以减少或限制结构的裂缝和其他变形；对桥梁营运使用的影响较小，可在不限制通行的条件下完成加固施工；在人力，物力和资金消耗方面也具有明显的经济合理性。因此，预应力加固法既可作为桥梁通过重车的临时加固手段，又可作为永久性提高桥梁荷载等级的措施。其预应力补强加固一般采用预应力拉杆，常用的拉杆体系有三种：水平预应力补强拉杆、下撑式预应力补强拉杆以及组合式预应力补强拉杆。
4 有粘结预应力在桥梁加固中的应用
有粘结预应力加固体系，以其预应力筋锚固简单，张拉施工方便和结构耐久性高的技术优势，受到国内外土木工程界的重视。有粘结预应力加固体系特别适用于中、小跨径的钢筋混凝土T形梁和空心板梁的加固，尤其是对高速公路和城市立交工程中大量采用的中等跨径的钢筋混凝土及预应力混凝土连续箱梁桥，由于受箱梁高度限制，在箱内布置体外预应力筋有困难的情况下，采用在箱梁底部增设预应力筋，然后喷注高性能抗拉复合砂浆的有粘结预应力加固体系是理想的加固方案之一。采用竖向顶撑法进行加固，预应力筋的两端用U形钢板进行锚固。为防止其下滑，在U形锚固板的端部用四个膨胀螺栓加以固定。张拉方法为竖向千斤顶顶撑法。待顶撑到位后，在支撑点和预应力筋之间垫以钢板，并用点焊固定，最后用细石混凝土将预应力筋粘结在原梁上。
一般而言，因为受到原梁钢筋架体的影响，可采用一些膨胀的螺栓或者焊接来对固定预应力的筋的支承角钢，来对固定的方法，预应力加固补强后，可以根据桥梁的骨架高度的范围进行截面的焊接从而达到预应力的目的，，形成下焊接缘马蹄形截面。底面HTCM砂浆保护层将预应力筋与被加固梁体粘结为整体，侧面的HTCM砂浆增加了原梁钢筋骨架的保护层厚度，使结构的耐久性提高。用于斜截面加固的预应力筋可以采用2股或3股钢绞线、高强螺旋肋钢丝或小直径精轧螺纹钢等国产钢材。对某些以提高后加补强材料利用率为主要目的的情况，甚至可以采用小直径的HRB400钢筋做预应力钢筋。钢绞线或螺旋肋钢丝可采用小型夹片锚锚固，用小型千斤顶张拉。小直径粗钢筋可采用螺帽锚具锚固，用小型千斤顶或测力扳手拧紧螺帽进行张拉，亦可采用横向拉紧变形法进行张拉。为了使加固的构件与原柱更好地协同工作，并保证原柱在后加荷载作用下的安全，考虑到柱为偏心受压构件，初步确定选用单侧撑杆预应力加固法，张拉方法采用横向张拉法。外粘型钢加固法优点是构件截面尺寸增加不多，而构件承载力可大幅度提高，并且经加固后原构件混凝土受到外包钢的约束，原柱子的承载力和延性得到改善。同时，此法还具有施工简便、工期短等特点，目前广泛用于加固钢筋混凝土柱、梁、桁架弦、腹杆。采用外粘型钢加固混凝土结构构件时，应使用改性环氧树脂胶粘剂进行灌注。
例如，某桥为跨径5X45m采用顶推法施工的预应力混凝土连续梁桥。由于顶推施工过程的受力需要，在箱梁的腹板的内没有配置弯起预应力束，斜截面剪力全部由混凝土和箍筋承担。近年来由于车辆严重超载，箱梁的腹板出现了大量的斜裂缝，裂缝宽度一般为0.2-0.4mm，个别裂缝宽度达1.5mm。验算结果表明，该桥正截面抗弯承载力满足要求，主要问题是斜截面抗剪承载力不足，由于主拉应力偏大导致大量的斜裂缝。建议采用有粘结竖向预应力筋对出现严重斜裂缝的区段斜截面进行加固补强。在箱梁腹板两侧增设竖向预应力筋，提高斜截面抗剪承载力。预应力筋采用中Ф8.6的三股钢绞线，间距为100-200mm（具体数据应按斜截面抗剪承载力受力要求确定）。预应力筋采用小型千斤顶张拉，采用小型夹片锚将预应力筋锚固于固定在腹板上的支承角钢筋上。预应力筋张拉后，在腹板两侧喷注30mm厚的HTCM砂浆，加大截面尺寸，减小主拉应力，保护钢筋免于腐蚀，以提高结构的耐久性。
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