體外預應力加固設計方法研究

段偉峰

（廣東粵路勘察設計有限公司，廣東 廣州 510000）

近年來，我國的交通業取得了長足的發展，為滿足大量貨物的有效運輸，許多重型車輛應運而生。重型車輛雖然能在運輸能力上得到保證，但是在行駛的過程中使得公路和橋梁負荷加重，導致公路和橋梁的運營狀況不斷惡化，最終很多使用時間較長的橋梁出現過度老化，甚至會出現破損嚴重的情況。在橋梁最初設計時，其設計荷載等級較低，也是導致橋梁損傷和老化的重要原因。為防止已建的老化、損傷，或者荷載等級較低的橋梁在現有交通量通行下結構不受到破壞，需對橋梁采用加固的方法以延長其使用壽命，而體外預應力加固技術可以很好地達到加固效果。

1 體外預應力加固橋梁結構體系的構造

1.1 體外預應力結構的錨固系統

體外預應力錨固體系的主要部件有錨具、錨固塊及鋼墊板等，錨固體系通常分為兩類，分別為可更換式和永久式。

1.2 體外預應力結構的減振系統

對于體外預應力結構，主要對梁體與體外筋進行固有振動特性分析，因為體外預應力筋只能借助轉向塊和錨固端給予混凝土梁體一定壓力，才能在加載過程中傳遞力的變化，然而并沒有對轉向塊起到限制作用，所以和體內預應力筋不同，其變形和振動皆脫離梁體。分析體外預應力結構振動的特性是為了當結構振動受外力影響時，能夠確保梁體、體外預應力筋所固有的振動頻率和外動力荷載的頻率有所不同，防止梁體、體外預應力筋以及外動力荷載出現共振。體外預應力加固梁的振動主要受到梁體及體外預應力索的影響。

橋體外索減振裝置主要是通過選擇減振橫梁配合減振支架的方式來進行設置，具體構造如圖1所示。具體操作如下：（1）在箱梁兩腹板中間部分放置減振橫梁，確保方向為橫向。橫梁由兩根槽鋼組成，將其放置于體外索下方，且緊挨護套管放置。（2）在橫梁兩側用鋼板進行錨固，同腹板連接，并按照6m的間隔距離逐個固定減振橫梁。減振支架包括墊塊、套管和支架三個基本結構，其中墊塊使用橡膠材質，套管為半圓形鋼材料，二者用來幫助緊固松散的體外束，然后使用鋼支架將體外束設置在減振橫梁上，將上方護套管拆除。為了增強整體的穩定性和牢固性，需要在護套管中設計一種由橡膠墊和鋼板組成的收緊裝置，用來讓體外束更加緊密，如圖2所示。此裝置一般按照3m的間隔進行安裝。

圖1 橋體外索減振裝置構造圖

圖2 體外束收緊裝置

1.3 體外預應力筋的轉向系統

體外預應力筋轉向系統是體外預應力橋梁中的關鍵結構部件，直接關系著預應力受力系統的狀況。轉向系統相對而言較為特別，自身不僅裝置錨固結構，還要承擔體外索的方位調整工作。預應力折線筋的形成受到轉向塊的制約，當轉向塊對預應力筋方向做出調整后，可以形成這種折線筋。轉向塊的受力形式比較復雜，偏大的集中作用力以及相關的摩擦力等都會產生影響。轉向系統的分類可以根據作用特點的不同進行分類，在傳載結構上可以分為兩類，分別用于橫縱向裝置。一種是承壓型，通常在矩形或T形狀箱梁中橫向安裝，這是一種將受力轉化為壓力，通過荷載傳遞同原裝置相連；另一種為剪切型，主要用于縱向固定，是一種利用剪力進行荷載傳導的作用形式。在橋梁加固的具體實施過程中，對其進行布筋時，由于空間有限，轉向塊處的鋼束的彎起角度過大或鋼束半徑過小，將會對體外預應力的強度產生一定影響，因此應盡量降低體外預應力筋的張拉控制應力，通常情況下，張拉控制應力可取鋼束標準強度的0.40～0.65。且需要注意的是，在進行張拉時，應以強度控制為主、引伸量控制為輔。

2 體外預應力轉向裝置設計

2.1 轉向裝置配筋設計

在設計計算混凝土梁橋時，國外專家對結構做出了兩種類型的區域劃分，分別是B區和D區。前者可以通過內力合計判斷截面應力狀況，這種截面應變分布能夠與預設的平截面區域一致。未發生開裂的情況下，可以根據面積、慣性矩等相關數據分析應力大小。同理，在已經發生開裂的狀況下，則需要結合桁架模型輔助計算。D區和B區相比，在截面的應力狀況明顯表現為非線性特點，受到空間分布不連續等因素的干擾。我國目前的相關研究主要針對B區展開。根據受彎部件做出研究，常規條件下正常使用達到的極限狀況以及受應力下的極限狀態需要結合截面進行計算，以此作為基礎，而在當前有關D區的混凝土橋梁理論研究中探討的內容少之又少。在實際的橋梁施工活動中，受制于D區受力狀況的復雜性以及相對煩瑣的構造條件，在缺少科學的指導性規范環境下，這種依賴于以往經驗進行結構設計的D區往往會存在一些問題，如產生結構性裂縫等。關于受拉型塊式轉向結構破壞的類型一般有三種：箍筋受損、梁作用破壞、剪切破壞。按照相應的受力作用以及破壞特點可以設計相應的拉壓桿裝置，如圖3所示。

圖3 轉向塊的拉壓桿計算模型

2.2 鋼結構錨固轉向體系構造設計

錨固體系和轉向體系是體外預應力加固的重要部位，在受力方面較為復雜，因此在設計方面對其要求也較高，除了需具有較大的輕度，也要有較高的可靠度。

（1）錨固體系。鋼結構錨固體系使用十分廣泛，其基本組成構造包括若干部件，如底座、傳力板、隔斷板、墊板、加力和粘貼裝置、黏結膠體、錨栓等。鋼錨箱構造具有靈活性，能根據橋梁工程的具體特征做出調整，且強度和剛度都較大，施工快速方便，受力較明確，然而，其也存在易生銹的缺點，對防護要求較高。影響錨箱構造的因素一般是橋梁結構、固定位置以及所需的預應力。在完成仿真分析以及多次實踐的磨合后，鋼錨箱的設計便可以根據需要做出改動，在橋梁工程結構、錨定位置等方面自行設計，可見鋼結構的錨固體系適應性和實用性較強。選擇錨栓時通常會選擇承載力大、膨脹較小的大噸位錨栓進行錨固，此錨栓承受動荷載能力較強。

（2）轉向體系。體外索在橋梁箱梁中的平彎和豎彎需要根據錨固要求來進行確定和設置，需設置體外預應力的轉向裝置。鋼結構形式的轉向體系的結構主要有轉向支架、轉向器以及連接用具。其中，經常用到的是轉向支架，比如當箱梁內凈高1.0～3.5m、體外預應力鋼束轉向和通過2～10束時，將轉向支架用于箱梁較低的設計中，這種轉向結構可直接連接頂端和底板。利用這種方法持續推進橋梁加固時，應在橋跨的1/4～1/2處允許墩頂部位可以根據需要自行調整，不必完全依賴橫隔板來實現。在施工過程中，雖然各種轉向裝置的基本構造和外形特征具有統一性，但是實際設置參數則應該以鋼絞線結構特征為依據。和原有的橋跨連接方式不同，不能只簡單取決于尺寸和數量，還要考慮到箱型界面規格、加受預應力形成的多變束數、作業人員通行需要等，結構變化比較明顯。

3 結束語

綜上所述，在加固橋梁時，選擇體外預應力加固技術不僅能夠增強既定橋體自身的抗彎和抗剪承載水平，還能夠提高實際施工環節中使用材料的利用率，同時減少管道摩擦損失。且在作業時，預應力筋使用靈活，同時也具有安全可靠等特點。通常情況下，體外預應力加固技術擁有其他結構鮮明的使用優勢，如能針對具體結構調換索。隨著研究的進一步深入及新材料的不斷投入使用，必定會為體外預應力技術的不斷完善提供更好的條件，從而為橋梁體外預應力加固技術的更好發展提供廣闊前景。