論體外預應力在橋梁結構設計與應用中的關鍵技術

【摘要】體外預應力技術作為預應力體系的重要分支，以其優良的特性，等到廣泛的推廣應用。本文結合工程實踐，論述了體外預應力結構的關鍵技術，包括體外預應力筋和普通鋼筋、體外預應力轉向塊、體外預應力錨固系統等。

【關鍵詞】體外預應力；轉向塊；錨固；防護；振動

【Abstract】External prestressing technology as an important branch of prestressed system， with its excellent features， until a wide range of application. Combining engineering practice， it discusses the key technologies externally prestressed structures， including in vitro tendons and ordinary steel， externally prestressed steering block， in vitro prestressed anchorage system.

【Key words】Externally prestressed；Turning pieces；Anchor；Protection；Vibration

1. 前言

體外預應力（External Prestressing Force）技術是將預應力筋束布置在主體結構外部，通過錨固端和轉向裝置來傳遞預加應力。體外預應力不僅被用于新建結構，還被用來加固舊橋結構，體外預應力技術得到廣泛的應用和推廣，但相對國外，該技術的發展在我國還處于初期階段，很多問題需要研究解決，而且體外預應力一些關鍵問題在設計施工中容易被忽視，造成嚴重的質量問題，因此，對體外預應力關鍵技術需要進行深入的研究。

2. 體外預應力體系及特點

體外預應力技術經過近幾十年的發展和工程應用，目前已形成兩種主要體系，如Fressinet和VSL體系均包括這兩種體系。體系1：體外預應力筋穿入HDPE或鋼管孔道內，張拉后灌漿。這種體系稱為有粘結體外預應力。此體系的優點是：由于孔道管在結構體外，管道的鋪設質量及其水密性容易檢查和控制。預應力的摩阻損失較小。體系2：體外預應力筋由單根無粘結筋平行穿入HDPE或鋼管孔道內張拉之前完成灌漿，由漿體將單根無粘結筋定位。這種體系稱為無粘結體外預應力。此體系的優點是：單根無粘結筋的摩阻損失極小，可采用單根張拉工藝，張拉設備體積小，易操作，預應力筋具有四層防護（油脂、HDPE、漿體和外套管），因而其耐腐蝕性好且防護安全性可靠，在使用期間可重復調整預應力值，更換預應力筋方便。

3. 體外預應力轉向塊和錨固塊

體外預應力橋梁的體外預應力筋只在錨固位置和轉向塊位置與結構相聯。因此，錨固與轉向塊在體外預應力橋梁中的地位舉足輕重。是體外預應力橋梁中最重要的關鍵結構。

3.1體外預應力橋梁中的轉向塊。

（1）轉向塊的作用是傳遞體外束作用力，限制體外索的自由長度，調整體外束偏心距。轉向塊由于受較大集中力及預應力筋的摩擦作用，受力復雜。一旦設計不合理、結構措施不當或體外預應力筋定位不準確，將給體外預應力結構帶來嚴重后果，故其設計直接關系著結構的使用效果和耐久性。目前常見的轉向塊有三種，即塊式、橫隔板式和肋式。隔板式和肋式轉向塊的優點是：轉向塊處可形成抵抗力筋張拉力分力的受壓支柱，這一受壓支柱從管道一直形成到橋面，承載能力較大。它的缺點是增加恒載重量、加大腹板平均厚度、模板構造也比較復雜。塊式轉向塊結構的特點是僅在底板根部設置很小的混凝土塊，這樣給結構施加的附加荷載就相對較小，模板構造也很簡單，可以把復雜程度控制在最小程度，為施工帶了較大方便。但它的缺點是一旦發生開裂后不能形成受壓支柱，轉向塊處的分力由于鋼筋作用直接傳遞到箱梁底板或腹板，力束的垂直分力或水平分力都有使轉向塊從梁體拉脫的傾向。故其受力、配筋相對復雜，而承載能力不如橫隔板式、肋式。從結構的承載能力、使用安全等綜合因素出發，運用較廣泛的是肋式轉向塊。

（2）轉向塊對二次效應影響的改變。

結構在荷載作用下，會產生拋物線形狀，力筋的變形和結構的變形并不協調，存在一個偏心距，即對結構產生二次效應影響。二次效應大大降低了體外預應力的作用和結構的抗彎性能，設計中，適當加密轉向塊的間距，可減小其產生的不利影響。同時，在轉向塊處采用圓弧線型，控制最小半徑，以獲得良好的工程效果。有關資料表明，當設置了轉向塊，結構的二次效應影響會明顯降低，尤其是將轉向塊布置在結構撓度最大的地方，效果尤為明顯，能使結構的整體承載力提高30%～40%左右。另外，在彈性階段體外預應力結構的二次效應均比較小，在設計中可不予考慮。

3.2體外預應力橋梁中的錨固塊。

（1）錨固系統可分為可更換和不可更換兩類。對于不可更換的體外預應力錨具而言，其鋼索不能更換或調整，常用于體外預應力拉索與整體結構有離散粘結的結構，如：懸拼結構、串連結構和拼接梁結構等；對于可更換的體外預應力錨固系統，錨具與混凝土結構之間是隔斷的，其功能與斜拉橋類似，既有錨固功能，也便于調整更換。如：橋梁加固、系桿拱構造等。錨固系統的設計和選取應根據實際工程情況進行選取。

（2）錨固系統通常采用配有夾片群錨的非平行鋼絞線或配有墩頭錨、冷鑄錨的平行高強鋼絲布置形式。當遇到必須更換大量預應力筋的情況，需要獨設計一個鋼錨箱，以實現結構的連接和內力的傳遞。鋼錨箱不僅是結構的關鍵，也是最為薄弱的部位。首先，對鋼錨箱進行有限元分析，獲取錨固體系及其附近結構的受力性能、應力分布的情況。建模時對于工況的選取，應盡可能與實際相符，同時，要檢驗有限元密度劃分是否合理；其次，建立錨固體系的模擬實驗。通過對構件應力變化明顯、受力脆弱及能充分反應構件受力特性的區域進行模擬，將測試結果與有限元計算結果進行比較，來判斷構件安全性和承載力。

4. 體外預應力筋的防護處理與補強設計

4.1體外預應力筋的防護處理。

體外預應力筋的銹蝕是導致結構正常使用功能下降的主要原因，如何進行預應筋的防護就顯得尤為重要。在體外預應力技術使用早期，由于防腐條件的限制，其工程應用幾乎被停滯。目前，高性能鋼索及其抗腐處理的進一步發展，為體外預應力技術的再次興起提供了有利支持。體外預應力筋的防護可分為整體防護和局部防護。整體防護是在鋼絞線上涂鋅或靜電吸附環氧涂層.并將建筑油脂填充在鋼管或高密度PE（聚乙烯）管內，其方法類似于斜拉索；局部防護是在錨固裝置和轉向塊處，進行密封處理和涂防腐層，做好連接部位的保護。通過對體外預應力結構的整體和局部處理，有效地提高結構體系的耐久性能和使用壽命。當前體外預應力筋的防腐仍需進一步的加強，尤其對于大跨徑的結構，要充分考慮“換索”的可能性。隨著CFRP（碳纖維復合材料）的研究與發展，其具有的物理力學性能，如：自重輕、強度高和抗腐蝕性等特性，為體外預應力索的防護開辟了新的道路，今后碳纖維的聚合束將可能替代鋼絞線筋束。

4.2體外預應力補強中的力筋設計。

體外預應力技術是加固、修復舊橋結構最有效的方法之一，有效地解決了舊橋結構正常使用承載能力不足的問題。在進行補強理論模擬計算時，需要考慮的因素很多，如：體外預應力筋的布置、體外預應力筋的面積和加固后承載能力驗算等等，其中如何進行體外預應力筋的布置和面積確定，是獲得良好補強效果的關鍵。對于體外預應力筋的布置而言，應根據彎矩包絡圖、實際工況進行配索設計和布設定位，最終確定力筋的線型走向；對于體外預應力筋的面積設計而言，應根據結構危險截面的抗彎強度來確定，并考慮結構運營役期所造成的各項預應力損失。將舊橋的承載能力和補強所需承載能力進行對比，用兩者的差值來確定有效預應力、力筋偏心距和預應力筋面積。值得注意的是，基于對體外預應力筋增量和二次效應的影響，設計時要選取一個安全系數進行綜合考慮，以保證可靠性和安全性。

4.3粱內普通鋼筋對結構性能的影響。

體外預應力結構中，普通鋼筋對結構性能的影響不能忽略，只有全面地考慮相關的數據參數，才能獲得合理的配置設計。隨著梁內普通鋼筋配筋率的增大，體外預應力梁的承載能力明顯提高；梁內普通鋼筋配筋率和普通鋼筋屈服荷載的增大，體外預應力筋的應力增量也逐漸增大；當梁內普通鋼筋配筋率過大，體外預應力筋的彎曲變形反而變弱。通常，在體外預應力梁內，設置一定數量的普通鋼筋（約大于0.3%），對改善和提高整個結構的受力性能是極為有利的，但注意也不宜過大。

4.4體外預應力加固梁的振動

研究體外預應力加固梁動力特性的基礎就是其固有頻率，它實際上表征了梁對動荷載的敏感程度，精確求得體外預應力加固梁的自振頻率理論值對結構健康評估和養護意義深遠。

我國技術規范中以靜力計算為主，關于動力方面指出：體外索的自由長度超過10m時應設置定位裝置。體外索和混凝土加固梁是兩個獨立的構件，有各自的振動狀態和變形（除錨固端及轉向裝置處），這是與傳統體內預應力所不同的。當加固后的梁、體外索的振動頻率和外部激勵頻率三個中有兩個比較接近，就會產生共振現象，容易導致錨具產生疲勞損傷，甚至直接脫錨，而且轉向裝置處體外預應力索也容易疲勞損傷，久而久之會導致索的斷裂，造成加固梁脆性破壞，這將導致嚴重的后果。研究體外預應力加固梁的固有頻率，根據體外預應力加固張拉階段和受力特點的不同，用經典的動力學方法建立各階段的振動方程，并結合國內外文獻的求解方法，對其振動方程進行求解，得到在不同體外索線型下加固梁的自振頻率，明確被加固梁、體外索和外部荷載激勵三者頻率，并采取技術措施，可防止共振現象的產生。

5. 體外筋應力增量的計算

體外筋應力增量的計算很復雜，其影響因素包括荷載作用形式及約束情況、跨高比、預應力筋及非預應力筋的用量、材料特性、有效預應力的大小等。根據體外筋應力增量與梁跨中撓度近似成直線關系，體外筋應力增量有一定的變化規律：

5.1體外預應力筋與梁體變形不協調，不能根據體外預應力筋重心處的混凝土變形來計算體外預應力筋的應力增量，而應通過各轉向塊（錨固點）問的距離變化計算體外預應力筋的變形，進而得出體外預應力筋的應力增量。

5.2加固梁重新開裂以前，體外筋應力增量增長速度緩慢，與荷載基本成線性變化。

5.3對于體外預應力加固梁，構件重新開裂以后并不象普通體外預應力梁一樣截面剛度明顯降低，體外筋應力增量增長速率有明顯的增大，而要等到舊的裂縫延伸或者新裂縫產生才有這種現象發生。

5.4隨著梁體撓度的增大，體外筋的應力增量也在增大。直線形體外筋受二次效應影響的程度大，因此它的應力增量相對較小；折線型體外筋受二次效應的影響程度小，因此它的應力增量相對較大。

5.5體外筋的極限應力增量大小各不相同而且差別較大。因此，《無粘結預應力混凝土結構技術規程》（JGJ92-2004 J409-2005）規定的體外力筋應力設計取值偏于安全。

6. 結語

隨著新材料和新技術的不斷發展，如何提高實力成為未來競爭的關鍵。在我國，體外預應力結構的研究相對滯后，對其進行設計、施工等方面的深入研究，是促使體外預應力結構迅速發展的主要動

力，體外預應力結構的錨固系統體外預應力技術廣泛應用于橋梁的修建與加固工程，體外預應力結構的關鍵構件，其可靠性具有很高的要求。因此，體外預應力錨具的各種技術指標，均應嚴格掌握，以保證結構安全性能。

參考文獻

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[作者簡介] 鄭向東（1969-），男，本科，職稱：高級工程師 ，長期從事公路橋梁工程技術工作。