预应力加固设计的方法

一．引言

随着我国交通事业的快速发展，各种重型车辆，尤其是工程用重型运输车的不断出现．桥梁负荷日趋加重，部分旧桥老化、破损严重，甚至设计荷载等级已不能要求使用满足。因此对旧桥、危桥的加固维修，及如何提高其承载力的问题，开展有关的维修与加固方法研究是非常有必要的。

二．体外预应力加固技术简介

体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一。不同于传统的后张有粘结或无粘结预应力结构，体外预应力结构是将预应力束布置于结构主体截面以外施加预应力的一种结构体系。体外预应力体系由四个基本部分组成：体外预应力索；体外索锚固系统；体外索转向装置；体外索防腐系统（图1）。

体外预应力技术适用范围非常广泛，不仅可以应用于新建工程，更适用于旧结构的改造与加固。体外预应力技术在旧桥加固改造工程中有以下优点：

1．受力明确、施工简便、不影响正常交通；

2．在自重增加很小的情况下可大幅度改善和调整原结构的受力状况，提高结构刚度和承载能力；

3．维护修补方便，可以随时更换预应力筋。

三．加固设计一般步骤

1．体外预应力筋面积的估算在实际工程加固中，常常采用虚功原理或力法进行结构计算，以简支梁为例。该方法是根据结构力学的力法原理以体外索的应力为变量，通过切断水平筋扩作用单位力Xp=1，则由力法方程有：

可采用预应力度法确定体外预应力筋的拉力Ny，而：

式中：Npe−预应力放张后体外筋的有效预拉力；Xp−活载作用下，体外预应力钢筋的拉力增量。

结合（1）~（3）式，可求出体外预应力筋用量Ay．

2．加固体系的验算

确定体外预应力筋的用量及设计张拉力后，应对加固后桥梁的各项使用性能指标进行验算。使用阶段的验算包括混凝土应力的验算、原梁内钢筋的应力验算、体外预应力筋的验算、裂缝验算及挠度验算等。根据结构的工作状态，求出使用荷载作用的计算值与材料的允许值相比较，判断是否满足要求。

极限强度验算是指根据实际的体外预应力筋配筋情况，计算加固体系的极限抗弯强度和抗剪强度，判断其是否满足设计要求。如果加固体的验算不能满足设计的要求．则需要重新进行配筋计算。

3．锚固端及转向块设计

体外预应力加固技术，转向块和锚固端构造设计很关键必须充分考虑结构的特点和使用功能等要求。锚固端及转向块的设置可利用原结构横隔或新增横隔，新增横隔必须与原有结构可靠连接，需要根据具体的梁截面形状、拉索类型来定。

锚固端的作用就是要将拉索两端的锚具与梁体固定和连接，以便将拉索的拉力传递给梁体。当使用膨胀锚栓或者种植高强锚杆（或钢筋）来固定锚固端时，应充分了解原梁体钢筋的分布情况，避免钻孔对原结构的损伤。施工时需借助钢筋探测仪器，核实钢筋的实际摆放位置。

四．工程实例

该桥建于上世纪80年代初，为11孔16m跨简支梁桥，原设计荷载为汽－20级，经过多年的使用，桥梁已出现不同程度的破损。广州建设工程质量安全检测中心于2007年11月对该桥进行了检测，检测结论认为：“该桥部分桥跨在整体受力性能上不能满足设计和使用要求，同时为防止结构工作状态进一步恶化，并鉴于该桥位于市区交通主干线上，长期处于超载状态，需要对该桥进行重建或大修。”

综合比较各种加固方案后，最终决定采用体外预应力加固的方法对旧桥丁梁进行加固。针对丁梁跨中截面抗弯能力不足的问题，在梁肋底张拉预应力水平筋，水平筋为2根JL32精轧螺纹钢筋，两束预应力索布置在两榻丁梁之间，两端分别锚固在梁底的转向块上（图2）。两个转向块对称设置在1/4桥跨横隔板处，转向块采用6~28mm的钢板制成。转向块的固定首先需要预埋好支撑板，施工前先将梁横隔板底贴钢板处混凝土凿除1cm，再用环氧砂浆将支撑钢板粘贴在梁的横隔板底面上，然后将转向钢板与预埋的支撑板顶紧焊接。

另外针对梁体根部抗剪承载能力不足的问题，采用在腹板锚固斜拉杆的方法进行加固，斜杆由16a槽钢和钢板焊接组成。上锚固块首先用环氧砂浆将粘贴在梁体腹板上，再采用高强螺栓将锚固块固定在腹板，由于螺栓孔位是根据旧桥施工图钢筋位置确定的，与其实际情况存在一定的偏差，因此在确定锚固及打孔的位置前，需要进行必要的钢筋探测防止螺栓孔位与钢筋冲突。

五．结论

体外预应力加固方法，在提高旧桥抗弯、抗剪承载能力的同时，可节省钢筋，减少管道摩阻损失，另外体外预应力筋布置灵活，安全可靠，特别是可以在结构正常工作情况下实现调索和换索，是其他结构形式所无法比拟的优点。随着相关理论的不断完善、新型材料和新型锚固体系的发展，为体外预应力技术的应用带来了新的活力，使得这种技术有更加广泛的发展应用前景。

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