淺談橋梁預應力加固技術
發(fā)表時間：2017-8-24 11:22:39 閱讀次數(shù)：
預應力加固技術在土木和建筑方面應用非常廣泛，可以說預應力加固技術在公路橋梁工程中的應用更有應用價值。這種技術主要是解決如何針對橋梁結構出現(xiàn)的問題進行加固維護，主要是橋梁的布置特點和抗彎承載力的要求，進行預應力筋的加固補強的設計理念基本上滿足需求，是可行的。以下將結合公路梁預應力的加固技術進行分析。
1 公路橋梁預應力加固技術的工作原理
預應力加固技術不同于廣義的預應力技術，它只是將后張法的體外預應力技術用于結構加固，屬于部分預應力，不是全預應力。其工作原理是為了抑制現(xiàn)有結構的某一部分繼續(xù)變形與裂縫，或者約束已有變形或裂縫使之恢復或閉合，以保持結構的整體性；也為了防止某一部位可能產生新的拉應力引起新的裂縫。其具體措施是：給需要考慮加固的結構部位施加部分預壓應力，以消除結構內可能產生的拉應力，抑制裂縫，并達到整體加固的目的。
1.1 預應力路徑 預加應力既然是對結構構件內部施加壓應力，那就必須保證壓應力只產生在結構構件的拉應力區(qū)，而不要產生在壓應力區(qū)，否則就會適得其反，使受壓區(qū)的壓應力超限，導致更可怕的脆性破壞。因此，關于體外預應力的齒板（錨拉點）位置與構造以及張拉索走向、張拉力強度，都必須經過仔細設計；此外，對加固件可能出現(xiàn)的導致裂縫的拉應力強度，也必須先經過仔細計算，做到心中有數(shù)，以便適當控制張拉噸位。
1.2 預應力機具 根據(jù)體外預應力和局部預應力或部分預應力的工作特點，不存在埋管穿線和注漿等復雜問題。為了盡量回避障礙，減少對構件的傷害和對已有張拉管線的干擾，應盡量避免長線張拉、大噸位（集中）張拉，而以短線分散張拉為主。因此，可盡量避免使用鋼絞線而以高強鋼絲或精制螺紋鋼代替。張拉機具應簡易、輕便，一般不使用臺座式油壓千斤頂張拉，而代之以拉桿式手壓千斤頂，甚至以螺桿扣緊方式進行張拉。張拉以后考察一定時段，證實裂縫已經穩(wěn)定，再鎖定張拉端，在張拉線（筋）表面抹丹強絲水泥砂漿保護層，或噴射混凝土保護層，可起到封閉裂縫及保護張拉線和加固件的綜合效用。
2 原因分析
大跨度預應力鋼筋混凝土箱梁橋的開裂原因顯然是多方面的，必然很復雜。有些是設計構造不合理，主要表現(xiàn)在設計思想從力學平衡方面考慮得多一些，從變形協(xié)調和本構關系合理方面考慮得少一些，因而必然出現(xiàn)腹板和頂、底板的厚度及配筋不相適應，不滿足實際需要的問題；也有些是施工程序安排不合理和施工質量不保證的問題。但作為一個普遍存在的現(xiàn)象來考察，其主要原因還是存在于預應力張拉工藝上。作為全預應力設計，其主導思想和設計意圖是：通過預加壓力，使在結構的每一拉應力區(qū)都能產生一定的預壓應力，以便全部或部分抵消結構正常服務期間出現(xiàn)的各種拉應力，以抑制結構裂縫的出現(xiàn)。出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象表明，主梁縱向預應力張力的張拉力度是足夠的，所以梁底并不出現(xiàn)彎曲張拉裂縫。但橫向張拉力度和豎向張拉力度就不一定夠，橫向張拉力度如果能夠確保，橋面幾十米長的縱向貫通裂縫就絕對不會出現(xiàn)。存在最普遍的問題可能是關于縱向預應力的分布情況和擴散范圍。縱向預應力束的主要走向在縱梁底部，由于縱梁剛度大，相對來說，腹板和頂、底板的縱向剛度很小，預應力很可能集中出現(xiàn)在縱梁梁底的有限范圍內，并沒有向腹板和頂、底板內擴散。因為應力的傳遞是隨結構剛度的變化而變化的，頂、底板和腹板剛度不足，應力就傳遞不過去，也就是頂、底板和腹板的中軸附近很可能是預應力完全失效區(qū)，根本不存在預壓應力。在荷載效應或變形失調引起的拉應力偏大，而構造配筋不足的情況下，必然引起腹板中腰附近的棗核形豎直裂縫和頂、底板中線附近的橫向裂縫。此外，預應力張拉松弛，預應力埋管偏位，尤其是梁底縱向預應力埋管在接近支座處的負彎矩區(qū)時，應向上轉彎抬起，如果起彎點選擇不當，彎起量不夠或出現(xiàn)硬彎、偏位等現(xiàn)象，都會引起支座附近主拉應力放大，導致45°傾斜的主拉應力裂縫。如果起彎點離支座太近，則在支座附近的梁中性軸以下可能出現(xiàn)過大的預壓應力，這個預壓應力與支座負彎矩產生的中性軸以下受壓區(qū)的壓應力及強大的豎向剪應力疊加組合后，必然形成強大的正八字形傾向的主拉應力，與正常的主拉應力方向正好相反，裂縫傾向也就與正常方向相反，形成反常的倒八字形裂縫。倒八字形裂縫屬于剪壓型裂縫，引起的破壞將是脆性破壞，具有極大的危險性，必須引起高度注意。 3 預應力損失估計和減少預應力損失的措施
預應力損失主要指由于預應力加固過程中的一種工作狀況問題，由于加固件自身和結構而引起的變形，這些問題都是在橋梁進行預應力加固補強過程中出現(xiàn)的問題，產生這類現(xiàn)象的因素包括：①基礎和地基的沉降；②被加固件因為某些原因產生收縮而引起；③加固件本身的因素；④加固件的節(jié)點和變形的結構；⑤溫度的影響產生的應變，在對橋梁預應力加固時，因為以上這些因素的影響，就會產生比較大的預應力損失，這種損失是不可忽視的，因此，在加固施工的過程中，要考慮和估算損失量，這樣才會在進行預應力加固過程中，將這些因素放進去，預留一些構造的措施，從而將預應力加固的數(shù)據(jù)調整并優(yōu)化的數(shù)值。
在針對預應力加固的數(shù)值進行設計計算時，必須先將加固前后的結構受力圖繪制出來，并進行內力的變化分析。加固件的工作應力數(shù)值必須要符合所需要的原有結構預期加固的數(shù)值，如上所述，就要將預應力損失量考慮進去，即加固件在進行加固技術之后產生的預應力的數(shù)值應當是兩者之和，而預應力加固產生的預應力損失量需要根據(jù)相關計算資料和經驗進行估算和計算，因為這些數(shù)值是不方便測量出來的，在這樣的情況下，就需要設計師將因素盡可能的考慮周全，將預應力損失的數(shù)值降到最低誤差，使預應力加固的數(shù)值更加接近預期的數(shù)值。應采用雙側撐桿進行加固采用雙側預壓力撐桿加固彎矩變號的偏心受壓鋼筋混凝土柱時，可按受壓荷載較大一側用單側撐桿加固的步驟進行計算。選用的角鋼截面面積應能滿足柱加固后需要承受的最不利偏心受壓荷載；柱的另一側應采用同規(guī)格的角鋼組成壓桿肢，使撐桿的雙側截面對稱。預應力加固法具有許多優(yōu)點，如加固效果好工作可靠，可以減少或限制結構的裂縫和其他變形；對橋梁營運使用的影響較小，可在不限制通行的條件下完成加固施工；在人力，物力和資金消耗方面也具有明顯的經濟合理性。因此，預應力加固法既可作為橋梁通過重車的臨時加固手段，又可作為永久性提高橋梁荷載等級的措施。其預應力補強加固一般采用預應力拉桿，常用的拉桿體系有三種：水平預應力補強拉桿、下?lián)问筋A應力補強拉桿以及組合式預應力補強拉桿。
4 有粘結預應力在橋梁加固中的應用
有粘結預應力加固體系，以其預應力筋錨固簡單，張拉施工方便和結構耐久性高的技術優(yōu)勢，受到國內外土木工程界的重視。有粘結預應力加固體系特別適用于中、小跨徑的鋼筋混凝土T形梁和空心板梁的加固，尤其是對高速公路和城市立交工程中大量采用的中等跨徑的鋼筋混凝土及預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，由于受箱梁高度限制，在箱內布置體外預應力筋有困難的情況下，采用在箱梁底部增設預應力筋，然后噴注高性能抗拉復合砂漿的有粘結預應力加固體系是理想的加固方案之一。采用豎向頂撐法進行加固，預應力筋的兩端用U形鋼板進行錨固。為防止其下滑，在U形錨固板的端部用四個膨脹螺栓加以固定。張拉方法為豎向千斤頂頂撐法。待頂撐到位后，在支撐點和預應力筋之間墊以鋼板，并用點焊固定，最后用細石混凝土將預應力筋粘結在原梁上。
一般而言，因為受到原梁鋼筋架體的影響，可采用一些膨脹的螺栓或者焊接來對固定預應力的筋的支承角鋼，來對固定的方法，預應力加固補強后，可以根據(jù)橋梁的骨架高度的范圍進行截面的焊接從而達到預應力的目的，，形成下焊接緣馬蹄形截面。底面HTCM砂漿保護層將預應力筋與被加固梁體粘結為整體，側面的HTCM砂漿增加了原梁鋼筋骨架的保護層厚度，使結構的耐久性提高。用于斜截面加固的預應力筋可以采用2股或3股鋼絞線、高強螺旋肋鋼絲或小直徑精軋螺紋鋼等國產鋼材。對某些以提高后加補強材料利用率為主要目的的情況，甚至可以采用小直徑的HRB400鋼筋做預應力鋼筋。鋼絞線或螺旋肋鋼絲可采用小型夾片錨錨固，用小型千斤頂張拉。小直徑粗鋼筋可采用螺帽錨具錨固，用小型千斤頂或測力扳手擰緊螺帽進行張拉，亦可采用橫向拉緊變形法進行張拉。為了使加固的構件與原柱更好地協(xié)同工作，并保證原柱在后加荷載作用下的安全，考慮到柱為偏心受壓構件，初步確定選用單側撐桿預應力加固法，張拉方法采用橫向張拉法。外粘型鋼加固法優(yōu)點是構件截面尺寸增加不多，而構件承載力可大幅度提高，并且經加固后原構件混凝土受到外包鋼的約束，原柱子的承載力和延性得到改善。同時，此法還具有施工簡便、工期短等特點，目前廣泛用于加固鋼筋混凝土柱、梁、桁架弦、腹桿。采用外粘型鋼加固混凝土結構構件時，應使用改性環(huán)氧樹脂膠粘劑進行灌注。
例如，某橋為跨徑5X45m采用頂推法施工的預應力混凝土連續(xù)梁橋。由于頂推施工過程的受力需要，在箱梁的腹板的內沒有配置彎起預應力束，斜截面剪力全部由混凝土和箍筋承擔。近年來由于車輛嚴重超載，箱梁的腹板出現(xiàn)了大量的斜裂縫，裂縫寬度一般為0.2-0.4mm，個別裂縫寬度達1.5mm。驗算結果表明，該橋正截面抗彎承載力滿足要求，主要問題是斜截面抗剪承載力不足，由于主拉應力偏大導致大量的斜裂縫。建議采用有粘結豎向預應力筋對出現(xiàn)嚴重斜裂縫的區(qū)段斜截面進行加固補強。在箱梁腹板兩側增設豎向預應力筋，提高斜截面抗剪承載力。預應力筋采用中Ф8.6的三股鋼絞線，間距為100-200mm（具體數(shù)據(jù)應按斜截面抗剪承載力受力要求確定）。預應力筋采用小型千斤頂張拉，采用小型夾片錨將預應力筋錨固于固定在腹板上的支承角鋼筋上。預應力筋張拉后，在腹板兩側噴注30mm厚的HTCM砂漿，加大截面尺寸，減小主拉應力，保護鋼筋免于腐蝕，以提高結構的耐久性。
1 公路橋梁預應力加固技術的工作原理
預應力加固技術不同于廣義的預應力技術，它只是將后張法的體外預應力技術用于結構加固，屬于部分預應力，不是全預應力。其工作原理是為了抑制現(xiàn)有結構的某一部分繼續(xù)變形與裂縫，或者約束已有變形或裂縫使之恢復或閉合，以保持結構的整體性；也為了防止某一部位可能產生新的拉應力引起新的裂縫。其具體措施是：給需要考慮加固的結構部位施加部分預壓應力，以消除結構內可能產生的拉應力，抑制裂縫，并達到整體加固的目的。
1.1 預應力路徑 預加應力既然是對結構構件內部施加壓應力，那就必須保證壓應力只產生在結構構件的拉應力區(qū)，而不要產生在壓應力區(qū)，否則就會適得其反，使受壓區(qū)的壓應力超限，導致更可怕的脆性破壞。因此，關于體外預應力的齒板（錨拉點）位置與構造以及張拉索走向、張拉力強度，都必須經過仔細設計；此外，對加固件可能出現(xiàn)的導致裂縫的拉應力強度，也必須先經過仔細計算，做到心中有數(shù)，以便適當控制張拉噸位。
1.2 預應力機具 根據(jù)體外預應力和局部預應力或部分預應力的工作特點，不存在埋管穿線和注漿等復雜問題。為了盡量回避障礙，減少對構件的傷害和對已有張拉管線的干擾，應盡量避免長線張拉、大噸位（集中）張拉，而以短線分散張拉為主。因此，可盡量避免使用鋼絞線而以高強鋼絲或精制螺紋鋼代替。張拉機具應簡易、輕便，一般不使用臺座式油壓千斤頂張拉，而代之以拉桿式手壓千斤頂，甚至以螺桿扣緊方式進行張拉。張拉以后考察一定時段，證實裂縫已經穩(wěn)定，再鎖定張拉端，在張拉線（筋）表面抹丹強絲水泥砂漿保護層，或噴射混凝土保護層，可起到封閉裂縫及保護張拉線和加固件的綜合效用。
2 原因分析
大跨度預應力鋼筋混凝土箱梁橋的開裂原因顯然是多方面的，必然很復雜。有些是設計構造不合理，主要表現(xiàn)在設計思想從力學平衡方面考慮得多一些，從變形協(xié)調和本構關系合理方面考慮得少一些，因而必然出現(xiàn)腹板和頂、底板的厚度及配筋不相適應，不滿足實際需要的問題；也有些是施工程序安排不合理和施工質量不保證的問題。但作為一個普遍存在的現(xiàn)象來考察，其主要原因還是存在于預應力張拉工藝上。作為全預應力設計，其主導思想和設計意圖是：通過預加壓力，使在結構的每一拉應力區(qū)都能產生一定的預壓應力，以便全部或部分抵消結構正常服務期間出現(xiàn)的各種拉應力，以抑制結構裂縫的出現(xiàn)。出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象表明，主梁縱向預應力張力的張拉力度是足夠的，所以梁底并不出現(xiàn)彎曲張拉裂縫。但橫向張拉力度和豎向張拉力度就不一定夠，橫向張拉力度如果能夠確保，橋面幾十米長的縱向貫通裂縫就絕對不會出現(xiàn)。存在最普遍的問題可能是關于縱向預應力的分布情況和擴散范圍。縱向預應力束的主要走向在縱梁底部，由于縱梁剛度大，相對來說，腹板和頂、底板的縱向剛度很小，預應力很可能集中出現(xiàn)在縱梁梁底的有限范圍內，并沒有向腹板和頂、底板內擴散。因為應力的傳遞是隨結構剛度的變化而變化的，頂、底板和腹板剛度不足，應力就傳遞不過去，也就是頂、底板和腹板的中軸附近很可能是預應力完全失效區(qū)，根本不存在預壓應力。在荷載效應或變形失調引起的拉應力偏大，而構造配筋不足的情況下，必然引起腹板中腰附近的棗核形豎直裂縫和頂、底板中線附近的橫向裂縫。此外，預應力張拉松弛，預應力埋管偏位，尤其是梁底縱向預應力埋管在接近支座處的負彎矩區(qū)時，應向上轉彎抬起，如果起彎點選擇不當，彎起量不夠或出現(xiàn)硬彎、偏位等現(xiàn)象，都會引起支座附近主拉應力放大，導致45°傾斜的主拉應力裂縫。如果起彎點離支座太近，則在支座附近的梁中性軸以下可能出現(xiàn)過大的預壓應力，這個預壓應力與支座負彎矩產生的中性軸以下受壓區(qū)的壓應力及強大的豎向剪應力疊加組合后，必然形成強大的正八字形傾向的主拉應力，與正常的主拉應力方向正好相反，裂縫傾向也就與正常方向相反，形成反常的倒八字形裂縫。倒八字形裂縫屬于剪壓型裂縫，引起的破壞將是脆性破壞，具有極大的危險性，必須引起高度注意。 3 預應力損失估計和減少預應力損失的措施
預應力損失主要指由于預應力加固過程中的一種工作狀況問題，由于加固件自身和結構而引起的變形，這些問題都是在橋梁進行預應力加固補強過程中出現(xiàn)的問題，產生這類現(xiàn)象的因素包括：①基礎和地基的沉降；②被加固件因為某些原因產生收縮而引起；③加固件本身的因素；④加固件的節(jié)點和變形的結構；⑤溫度的影響產生的應變，在對橋梁預應力加固時，因為以上這些因素的影響，就會產生比較大的預應力損失，這種損失是不可忽視的，因此，在加固施工的過程中，要考慮和估算損失量，這樣才會在進行預應力加固過程中，將這些因素放進去，預留一些構造的措施，從而將預應力加固的數(shù)據(jù)調整并優(yōu)化的數(shù)值。
在針對預應力加固的數(shù)值進行設計計算時，必須先將加固前后的結構受力圖繪制出來，并進行內力的變化分析。加固件的工作應力數(shù)值必須要符合所需要的原有結構預期加固的數(shù)值，如上所述，就要將預應力損失量考慮進去，即加固件在進行加固技術之后產生的預應力的數(shù)值應當是兩者之和，而預應力加固產生的預應力損失量需要根據(jù)相關計算資料和經驗進行估算和計算，因為這些數(shù)值是不方便測量出來的，在這樣的情況下，就需要設計師將因素盡可能的考慮周全，將預應力損失的數(shù)值降到最低誤差，使預應力加固的數(shù)值更加接近預期的數(shù)值。應采用雙側撐桿進行加固采用雙側預壓力撐桿加固彎矩變號的偏心受壓鋼筋混凝土柱時，可按受壓荷載較大一側用單側撐桿加固的步驟進行計算。選用的角鋼截面面積應能滿足柱加固后需要承受的最不利偏心受壓荷載；柱的另一側應采用同規(guī)格的角鋼組成壓桿肢，使撐桿的雙側截面對稱。預應力加固法具有許多優(yōu)點，如加固效果好工作可靠，可以減少或限制結構的裂縫和其他變形；對橋梁營運使用的影響較小，可在不限制通行的條件下完成加固施工；在人力，物力和資金消耗方面也具有明顯的經濟合理性。因此，預應力加固法既可作為橋梁通過重車的臨時加固手段，又可作為永久性提高橋梁荷載等級的措施。其預應力補強加固一般采用預應力拉桿，常用的拉桿體系有三種：水平預應力補強拉桿、下?lián)问筋A應力補強拉桿以及組合式預應力補強拉桿。
4 有粘結預應力在橋梁加固中的應用
有粘結預應力加固體系，以其預應力筋錨固簡單，張拉施工方便和結構耐久性高的技術優(yōu)勢，受到國內外土木工程界的重視。有粘結預應力加固體系特別適用于中、小跨徑的鋼筋混凝土T形梁和空心板梁的加固，尤其是對高速公路和城市立交工程中大量采用的中等跨徑的鋼筋混凝土及預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，由于受箱梁高度限制，在箱內布置體外預應力筋有困難的情況下，采用在箱梁底部增設預應力筋，然后噴注高性能抗拉復合砂漿的有粘結預應力加固體系是理想的加固方案之一。采用豎向頂撐法進行加固，預應力筋的兩端用U形鋼板進行錨固。為防止其下滑，在U形錨固板的端部用四個膨脹螺栓加以固定。張拉方法為豎向千斤頂頂撐法。待頂撐到位后，在支撐點和預應力筋之間墊以鋼板，并用點焊固定，最后用細石混凝土將預應力筋粘結在原梁上。
一般而言，因為受到原梁鋼筋架體的影響，可采用一些膨脹的螺栓或者焊接來對固定預應力的筋的支承角鋼，來對固定的方法，預應力加固補強后，可以根據(jù)橋梁的骨架高度的范圍進行截面的焊接從而達到預應力的目的，，形成下焊接緣馬蹄形截面。底面HTCM砂漿保護層將預應力筋與被加固梁體粘結為整體，側面的HTCM砂漿增加了原梁鋼筋骨架的保護層厚度，使結構的耐久性提高。用于斜截面加固的預應力筋可以采用2股或3股鋼絞線、高強螺旋肋鋼絲或小直徑精軋螺紋鋼等國產鋼材。對某些以提高后加補強材料利用率為主要目的的情況，甚至可以采用小直徑的HRB400鋼筋做預應力鋼筋。鋼絞線或螺旋肋鋼絲可采用小型夾片錨錨固，用小型千斤頂張拉。小直徑粗鋼筋可采用螺帽錨具錨固，用小型千斤頂或測力扳手擰緊螺帽進行張拉，亦可采用橫向拉緊變形法進行張拉。為了使加固的構件與原柱更好地協(xié)同工作，并保證原柱在后加荷載作用下的安全，考慮到柱為偏心受壓構件，初步確定選用單側撐桿預應力加固法，張拉方法采用橫向張拉法。外粘型鋼加固法優(yōu)點是構件截面尺寸增加不多，而構件承載力可大幅度提高，并且經加固后原構件混凝土受到外包鋼的約束，原柱子的承載力和延性得到改善。同時，此法還具有施工簡便、工期短等特點，目前廣泛用于加固鋼筋混凝土柱、梁、桁架弦、腹桿。采用外粘型鋼加固混凝土結構構件時，應使用改性環(huán)氧樹脂膠粘劑進行灌注。
例如，某橋為跨徑5X45m采用頂推法施工的預應力混凝土連續(xù)梁橋。由于頂推施工過程的受力需要，在箱梁的腹板的內沒有配置彎起預應力束，斜截面剪力全部由混凝土和箍筋承擔。近年來由于車輛嚴重超載，箱梁的腹板出現(xiàn)了大量的斜裂縫，裂縫寬度一般為0.2-0.4mm，個別裂縫寬度達1.5mm。驗算結果表明，該橋正截面抗彎承載力滿足要求，主要問題是斜截面抗剪承載力不足，由于主拉應力偏大導致大量的斜裂縫。建議采用有粘結豎向預應力筋對出現(xiàn)嚴重斜裂縫的區(qū)段斜截面進行加固補強。在箱梁腹板兩側增設豎向預應力筋，提高斜截面抗剪承載力。預應力筋采用中Ф8.6的三股鋼絞線，間距為100-200mm（具體數(shù)據(jù)應按斜截面抗剪承載力受力要求確定）。預應力筋采用小型千斤頂張拉，采用小型夾片錨將預應力筋錨固于固定在腹板上的支承角鋼筋上。預應力筋張拉后，在腹板兩側噴注30mm厚的HTCM砂漿，加大截面尺寸，減小主拉應力，保護鋼筋免于腐蝕，以提高結構的耐久性。
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