符汶大橋體外預應力加固技術研究

呂 蕾，鐘志彬，張國林

(西南交通大學 峨眉校區，四川 峨眉山 614202)

體外預應力加固主要是通過在原有梁體外布置預應力鋼束，與被加固梁體錨固，然后通過張拉預應力鋼束，使原梁形成帶柔性鋼束的超靜定結構，形成反拱，從而減小裂縫寬度甚至閉合裂縫，提高梁體承載力，起到加固橋梁的作用，它是后張法預應力技術的延伸應用。其優點體現在:①施工工序簡單、養護維修方便、施工工期短，并且在施工中可以做到不影響交通;②加固費用少，體外預應力加固費用僅為新建橋梁的10%～20%，但是卻可以使承載力提高30% ～40%;③與相對的體內預應力技術相比由于沒有與混凝土粘結，因此可認為預應力筋的應力基本沿全梁均勻分布，這樣就減少了預應力摩阻損失，受力明確。但是由于鋼束裸露在梁體外，因此對鋼束的防腐、防火、防破壞成為體外預應力加固結構維護的重點，同時由于僅靠梁端錨固和梁身托座的支承傳力，故梁端錨固、托座施工質量控制尤為重要。

符汶大橋位于四川省峨眉山市，是省道103線途徑峨眉山市的唯一通道，始建于20世紀60年代，上部結構由5孔10片鋼筋混凝土T梁平行拼接而成，由于當時橋梁設計標準、施工技術的限制及常年的使用，“5.12”地震后橋梁上部橋面板及梁肋均不同程度出現裂縫，各梁橫向連接部位鋪裝層出現開裂，下部橫隔板也出現肉眼明顯能觀察到的較大裂縫，經檢測該橋已經不能滿足承載力要求，須對其進行加固處理。根據檢測報告，結合橋梁設計使用要求，綜合分析后采用體外預應力筋張拉加固。符汶大橋加固在每片梁兩側各設5束預應力鋼束，總共為5束 ×2側 ×10片梁 =100束預應力鋼束。鋼束沿梁跨中呈直線、支座附近彎起的凹形布置，通過轉向托座實現鋼束的彎起，最后鋼束在梁端橋面上錨固。

1 施工階段受力分析

施工階段，對鋼束在錨固端施加預拉力 NK′，張拉完成后將鋼束錨固在錨固端。張拉結束后整個體系處于平衡狀態，此時斜筋的豎直方向分力使原梁產生負剪力和負彎矩，水平方向分力對原梁截面產生偏心壓力。這種受力形式使得原梁體內儲備了一定的抗力，可以部分抵消外荷載產生的內力，提高原梁承載力，起到加固的作用。其中，NXK為斜筋水平分力;DK為斜筋豎向分力;TY為摩擦力，TY=f0N，N為梁底轉向托座的豎向壓力，f0為轉向托座與鋼束之間的摩擦系數，施工階段全梁受力分析見圖1。對符汶大橋，上鋼束錨固在橋面板上，錨固位置顯然在截面重心以上，這時水平分力NXK在原梁截面處產生正的偏心彎矩，即使原梁下緣受拉，對原梁不利，但是由于錨固點的升高提供了較大的預剪力，有利于原梁的斜截面抗剪。所以體外預應力筋張拉加固的錨固位置應根據實際工程設計加固承載力和受力特點確定。

圖1 施工階段全梁受力分析

2 使用階段受力分析

加固后梁在外荷載作用下梁體產生變形，相應的鋼束水平筋及斜筋的受力大小、轉向托座對梁的壓力大小均發生變化?？紤]符汶大橋采用固定式的轉向托座，在外荷載作用下轉向托座不發生移動，對轉向托座進行分析，對X′在水平方向和豎直方向進行分解。

其中，XP為水平筋中的拉力增量;X′為斜筋的拉力增量;DX為 X′的水平分力，DX=X′cosα;DY為 X′的豎直分力，DY=X′sinα;其他符號同上，外荷載作用下受力分析見圖2。

圖2 外荷載作用下受力分析

此時結構變成一種帶柔性鋼束的一次超靜定結構，可以利用結構力學上的力法求解一次超靜定，以外荷載引起的水平筋拉力增量為變量，截斷水平筋，選取基本體系，列出力法方程

又根據力法作圖求解可知

式中，δ11為單位荷載單獨作用下鋼束沿單位荷載方向的位移;Δ1P為實際荷載單獨作用下鋼束沿荷載方向的位移;XP為鋼束實際受力大小;E為鋼絞線彈性模量;A為鋼束截面面積;I為鋼束橫截面慣性矩;M1為單位荷載作用下鋼束所受彎矩;N1為單位荷載作用下鋼束所受軸力;MP為實際荷載作用下鋼束彎矩。

將式(2)帶入式(1)并結合鋼筋混凝土設計原理中有關N、M的計算方法最終可得到

由式(3)可知，體外預應力加固在鋼束形式及各種材料確定后，水平筋的拉力增量只與預應力水平筋截面面積AY、外荷載集度q有關。

對于體外預應力加固中涉及到的梁體裂縫寬度、撓度、預應力損失的計算主要原理與普通無粘結預應力混凝土技術相同，可參照文獻［1］或者參照相關混凝土結構設計原理中的計算方法。

3 施工技術

符汶大橋體外預應力筋加固施工主要分為:托座鉆孔和安放，端部錨固處理及錨具安裝，鋼束布置和張拉。各階段施工均應按照設計規定實施，對重點部位施工應加強監控，防止出現施工質量問題造成工程事故。

3.1 托座施工

轉向托座在預應力筋張拉過程中起到轉向，并且同時傳遞壓力的作用，所以施工中造成的安裝位置偏差或是鋼制托座制造誤差都將影響整個加固的質量，所以鋼制托座的制作及現場施工放線、鉆孔、安放均應嚴格按照設計要求進行。符汶大橋鋼制托座為橢圓柱形，與鋼束接觸的圓角保證了鋼束在張拉過程中不至被卡住，減小摩阻力，鋼制托座外緣增焊兩根鋼筋伸出托座，形成定位槽用以固定鋼束位置，防止鋼束偏擺。托座要噴涂防腐油漆，防止托座銹蝕造成預應力損失。

施工過程中，首先進行精確的施工放線，定出托座安放位置。然后用沖鉆從一端到另一端鉆進，為防止單邊鉆進造成另一邊形成漏斗形破壞，所以在一邊鉆進超過梁肋寬度一半以后再從另一端相同位置鉆進，兩邊鉆透。在施鉆過程中，為避免鉆到梁肋鋼筋，需配合使用鋼筋掃描儀。鉆孔完成后安放鋼制托座。

3.2 錨固端施工

錨固端作為鋼束張拉位置，同時在張拉完成后的長期使用過程中一直承受著較大的壓力，這對錨固端部位梁體結構的強度要求較高。由于符汶大橋使用時間較長，建造時所使用混凝土質量等級較低，舊梁端部混凝土強度較低，為防止錨固端在張拉預應力鋼束后出現壓碎破壞，所以在梁端錨固處重新澆筑高強度混凝土塊。符汶大橋鋼束在橋面上進行錨固，在澆筑錨固端混凝土塊時要預留供鋼束穿過的索孔，并且預留索孔的角度應根據鋼束形狀進行設置，避免造成卡角而造成張拉過程中鋼束與混凝土摩擦損壞及較大的摩阻損失。橋面在進行鋼束張拉和錨塊施工養護過程中要暫時對橋面交通進行封閉，確保錨固塊不被破壞，達到設計強度，見圖3。

圖3 梁端錨固

3.3 鋼束布置及張拉

轉向托座及錨固端錨具就位后，進行鋼束穿索。體外預應力筋采用低松弛高強度鋼絞線，為防止鋼束暴露在空氣中而加速銹蝕，對鋼束最外層包裹PE塑料保護套管，鋼束與套管之間的空隙處可以注入黃油。

穿索完成后在對鋼束進行張拉前要仔細檢查錨具、轉向托座是否安裝牢固，轉向托座在梁肋的兩邊要保證水平，否則由于兩邊位置偏離將會造成梁體兩邊受力不同，梁體兩邊的不均勻受力會導致梁體出現水平方向分力，最終全橋整體水平分力甚至會造成橋體側移、嚴重降低橋梁的承載力。

鋼束性能應符合GB/T5223規定，進場后要進行驗收，有必要的可以抽樣進行承載力試驗，看是否符合要求。施工過程中對鋼束進行分級張拉，張拉程序與預應力混凝土梁相同。張拉在兩邊同時進行，同一片梁兩側的鋼束要同步張拉，這樣同一片梁兩側的鋼筋才能有相同或相近的預應力狀態。張拉過程要緩慢施力，并要實時監控，注意鋼束、錨具、轉向托座及梁體梁肋是否出現異常。張拉結束后應根據設計要求對鋼束進行錨固，錨固應牢固可靠，否則將造成較大的預應力損失，甚至造成預應力喪失，導致橋梁加固失敗。

4 結語

符汶大橋的加固工程在2010年6月底已近結束，通過對橋梁的承載力檢測及裂縫觀測，發現該橋承載力有了大幅的提高，在這兩個月的正常運營中并未發現有異常，橋梁承載力基本達到了設計要求。

體外預應力技術在橋梁加固中的應用，通過近幾年的研究已經形成了較為完整的理論體系，并且大量實際工程的應用也為后續的應用積累了大量的寶貴經驗。此次該技術在符汶大橋加固的成功應用，為“5.12”地震災后重建中大量橋梁、房屋建筑的加固提供了參考，同時符汶大橋作為舊橋中的典型，也可為我國后續大量舊橋加固利用提供借鑒。

［1］黃僑.公路鋼筋混凝土簡支梁橋的體外預應力加固技術［M］.北京:人民交通出版社，1998:27-35.

［2］巢斯，易發安，孫海.體外預應力結構預應力筋在外力作用下的應力分析［J］.結構工程師，2000(1):29-33.

［3］樊軍.橋梁加固維修體外預應力施工質量控制實例［J］.山西建筑，2008(35):340-341.