桥梁加固论文
桥梁维修与加固之体外预应力法
交通一班江汪洋N120606611
摘要：随着科技的发展，对桥梁的加固的性价比越来越高，桥梁加固范围变的广泛起来，加固的安全和节约成本的优点，使旧桥梁的加固越来越引起我们桥梁工作者的重视。本文将就桥梁的加固概括和对其中的结构体外预应力加固桥梁进行浅谈一下。
Abstract: with the development of science and technology, the strengthening of bridges more cost-effective, has become widely bridge strengthening, strengthening the advantages of safety and cost saving, the reinforcement of old bridge and the bridge attracted our attention. Summary in this paperand thereinforcement ofbridgestructureinthe prestressed bridgewas talking about.
关键词：维修加固结构性加固体外预应力紫坭大桥
Keywords: repair reinforcement structure strengthened with external prestressing Zini Bridge
前言：桥梁是公路交通的咽喉，其使用功能的好坏直接影响整条线路的畅通，早前修建于各地城镇和各级公路上的桥梁，也因此担负着十分沉重的交通荷载和繁重的交通量。加之各种历史原因，如修建桥梁时资金紧缺．设计荷载和泄洪标准偏低，技术力量缺乏。为保证安全运营，对桥梁进行必要的维修与加固十分必要。我国桥梁加固措施主
要有粘贴碳纤维加固法、粘贴钢板法、桥面铺装加固法及加大截面加固法。
一、桥梁维修加固的内容
随着我国国民经济的日益发展，交通运输量的迅速增长，危桥总长逐渐增多。若将其拆除重建，不仅要耗费大量资金，而且工期也较长；若有计划、有步骤的对现有旧桥进行加固改造，桥梁加固后。可以延长桥梁的使用寿命，用少量的资金投入，使桥梁能满足交通量的需求，还可以缓和桥梁投资的集中性，为国家带来巨大的经济和社会效益。
发生重大病害和不能满足运输要求的桥涵，应对其设备彻底进行整治加固、改善、更新，以恢复原有桥梁建筑物的整体使用效能和延长使用年限，并提高原有桥梁建筑物的荷载等级和通过能力。桥梁维修与加固的主要内容在于：对服役桥上部构件维修加固，对服役桥下部构件维修加固．拓宽桥梁的行车道或人行道。升高桥梁上部构造的高度，更换桥梁行车道路面或引桥路面的结构。部分或全部更换桥梁损坏或破坏服役了的结构物。桥梁的维修与加固工作，须充分利用原有部分，凡能加固的，则不宜改建，凡能部分改建的，则不应全部改建。对服役桥进行维修加固．常有如下步骤：检查桥梁现状和损坏情况；调查桥梁历史技术资料和现有交通状况；提出维修加固或改建方案，随时进行分析比较；确定方案并付诸实施，即进行维修加固或改建施工。
二、桥梁维修加固的方法
加固，简单来说，就是通过一定的措施使构件乃至整个结构的承载能力及其使用性能得到提高，以满足新的要求。桥梁维修加固应注重四大原则：桥梁加固是种借加大或修复桥梁构件来提高局部或整座桥梁承载能力或通过能力的措施。故桥梁维修加固时．应以不更改原有建筑形式为原则，只有在复杂情况下，才能更改其结构。桥梁维修加固时存在多种不同方式，据服役桥实际情况、承载能力的减弱程度和今后任务，而采用相应恰当的维修加固方式。桥梁的加固多有四种方式：扩大或增加原有结构构件截面．以提高原结构的强度和刚度；用新的结构代替服役的应力不够的结构：改变原结构的受力体系，使原结构减少受力；对原结构施加外应力，来改变原结构的受力图形，并提高桥梁刚度和强度。旧桥加固方法可综合为以下几类：
1、结构性加固
体外预应力法的加固原理是在梁的下缘受拉区设置预应力材料。通过张拉对梁体产生偏心预应力，在此偏心压力作用下，使梁体发生上拱，抵消部分自重应力，减小了结构变形和裂缝宽度、改善了结构受力，能够较大幅度的提高结构承载力。目前常用下撵式预应力拉杆加固法和外部预应力钢丝束加固法两种。在合理安排施工流程的情况下，该方法可最大限度地减少对桥上交通的影响。甚至可以在有限开放交通的情况下组织施工，因此近年来国内工程实例较多。如301国道盘锦立交主线桥和盘锦立交WH匝道桥的加固。但加固后．体外预应力筋的防腐问题一定程度上增加了后期养护费用，因此。一般不是公路部门的首选加固方法。粘贴钢板或碳纤维固法粘贴钢板加固法
是采用粘结剂和锚栓将钢板粘贴锚固于混凝土结构受拉面或其它薄弱部位，使钢板与加固混凝土结构形成整体，以达到提高结构承载能力的目的。该方法具有基本不改变原结构的尺寸、施工简单、技术可靠、短期加固效果较好且工艺成熟等优点，近些年来在钢筋混凝土桥梁的加固维修中为公路部门广泛采纳，是近几年应用最多的加固方法。碳纤维加固技术是近几年内才由国外引进的一种新技术，因其强度高，耐腐蚀，且施工简便等优点，目前已广泛应用于实际工程中。然而，由于碳纤维本身的一些缺陷。如脆性、耐火性不好等使得这种材料的应用受到限制。增大截面与配筋加固法一般采用在梁底面或侧面加大尺寸，增配主筋，以提高主粱截面的有效高度，从而达到提高桥梁承载能力的目的。然而，由于增大截面法在施工过程中全部的作业需在梁底进行，施工难度较大且施工质量难以控制，因此，尽管在某些情况下费用并不太大，但以上因素制约了该技术的广泛应用，一般用于T型截面梁的加固维修。改变结构受力体系加固法是通过改变桥梁结构受力体系以达到提高结构整体承载能力的目的，是一种变被动为主动的加固方法。这种技术具有提高结构承载力，增大结构刚度，减小挠度等优点。但该加固方法施工改造时一般要涉及到桥面铺装的再处理，增加了改造费用且加固效果受负弯矩区施工质量的影响较大，目前极少单独采用。此外，结构性加固方法还有增设主梁加固法、锚喷混凝土加固法等。
2、非结构性加固
钢纤维混凝土修复桥面铺装层对桥面铺装层的严重破损，可考虑
采用钢纤维混凝土修复。抗裂能力强，抗冲击耐磨耗等性能，可延长桥面的使用寿命，在不增加桥梁恒载的情况下，改善梁的结构受力性能。伸缩缝的更新改造在桥梁维修中，以下几种类型伸缩缝的使用是较成功的。“三防”型伸缩缝在大型桥梁上的应用情况良好；仿毛肋伸缩缝在大、中型桥梁的大量使用，效果明显；TST、FG系列桥梁无缝伸缩缝，在中小行桥梁上也得到广泛使用。
3、U型高桥台加固
该加固法采取在U型桥台前墙和两侧墙外加套4O厘米的钢筋混凝土，并在两侧墙增设水平预应力索对锚和前墙增设地锚的方案。该方案适用于不能中断交通又无法架设便桥的高桥台病害修复。锚杆配合钢筋混凝土抱箍法采取台腔与桥台基础持力层进行压浆固化，再打人锚杆与槽钢抱箍，最后在u型桥台前墙和两侧墙外加套25厘米的钢筋混凝土，新旧墙体采用锚杆连接形成整体。该方案适用于地基承载力不足，且施工处理不到位，造成桥台前墙下沉。
4、桥墩加固
桥梁下部结构加固的主要目的是提高桥墩的整体承载能力。如桥墩发生了结构性损伤，可以用外包混凝土、粘贴钢板或碳纤维的方法进行加固。但是对于实体桥墩等横向刚度比较大的结构，其状态变化主要是由地基所引起，此时可重点从回填硬土或者对地基进行注浆等方法提高其约束桥墩的能力，提高桥墩的整体承载能力。抬桩就是通常使用的一种有效的加固方法，即在旧桩的两侧各增设一根桩，并通过植筋扩大承台，共同受力。另一种桩基加固方法是钢筋混凝土套箍。
由于下部桩基施工等原因，造成桩基缩径，采用的加固方法是清除桩体虚浮物，通过植筋后，外抱箍微膨胀混凝土。目前，在很多桥梁加固改造中，同一座桥梁，针对不同的部位、不同的构件、不同的改造原因同时采用了几种不同的方法。如宜宾马鸣溪金沙江大桥的加固，采用了增加构件加固法、粘贴钢板加固法、碳纤维加固法、桥面层补强加固法；西藏尼木大桥的加固，采用了粘贴钢板加固法、碳纤维加固法、桥面层补强加固法。
三、桥梁维修加固之体外预应力加固桥梁
下面我对桥梁结构性加固中的体外预应力加固桥梁进行浅谈一下：
一概述
体外预应力就是设置在混凝土体外的预应力筋给混凝土施加的预应力。体外预应力混凝土也称无粘结预应力混凝土, 是一种预应力筋直接设置在体外,或者预应力筋设置在混凝土体内,但无需进行孔道灌浆的无粘结预应力混凝土。它与预应力混凝土的区别在于预应力筋与混凝土的无粘结性。自20世纪80 年代开始,无粘结预应力混凝土在我国房屋建筑中得到广泛的应用, 后来逐渐被应用于桥梁结构中。
体外预应力技术由于具有施工方便、经济可靠,预应力筋( 束) 可以单独防腐甚至可以更换等特点,近年来,已被广泛应用于旧桥的加固工程中。众多的工程实践证明,利用体外预应力加固旧桥,能显著提高结构承载力和抗裂度, 有效改善结构的应力状态。
二体外预应力的特点
体外预应力的优点：
1、简化预应力筋曲线，预应力筋仅在锚固处和转向处与结构相连，减小摩阻损失，提高预应力使用效率。
2、预应力布置灵活，根据桥梁病害可以全桥加固也可以进行局部加固。
3、锚固构件尺寸小，自重增加少，可有效的大幅提高结构承载能力。
4、与原结构无粘结，应力变化值小，对结构受力有利。
5、体外索可调可换，便于使用期间进行维护。
体外预应力的缺点：
1、体外索布置在截面外，防腐、保护相对较困难，易受外界影响。
2、锚固及转向区域容易产生应力集中，局部应力大，对锚固施工要求高。
3、体外索张拉力较小，不能充分发挥体外索强度高的优点，对锚具及夹片的要求很高。
4、体外预应力筋的变形和混凝土的变形不一致，容易造成预应力损失。
三体外预应力的组成
体外预应力由锚具、体外索锚、固块及转向块、减振装置施工机具的组成。
1.锚具
体外预应力体系仅靠锚固端传力，因此体外预应力锚固体系的可靠性和安全性比一般体内预应力锚固体系要高，需使用专用的体外索锚具和夹片。体外预应力的锚具的外观尺寸较普通锚具更大，且还增加了一些辅助配件，如密封装置、防松装置、防护装置等。
2.体外索锚
体外索主要有光面钢绞线、无粘结钢绞线、平行钢丝、成品索等类型。体外索较多采用无粘结钢绞线，环氧喷涂带PE的单根钢绞线具有良好的耐腐蚀性能，具有很好的适用性，目前广泛适用在桥梁加固中。
3.固块及转向块
体外预应力体系仅靠锚固块及转向块传力，锚固块和转向块必须和原结构有效连接，传递应力，锚固块及转向块一般采用钢筋混凝土结构和钢结构型式。
张拉力大的锚固块均采用钢筋混凝土形式,钢锚固块适合施工空间开阔且应力较小的小型锚固块。
4.减振装置施工机具
体外预应力体系的减振装置用于转向块与转向块或者锚固块与转向块之间的体外索自由长度较大的位置，主要目的是减少体外索在动荷载作用下的振动。
减振装置多为内包橡胶的小型钢结构，通过种植螺栓与原桥相联系。
体外索的张拉机具根据张拉的要求分单孔千斤顶和整体千斤顶。
单孔千斤顶用于施工空间狭小或单孔分丝张拉的体外索，整体千斤顶用于整体张拉的体外索。
四体外预应力的布置形式
体外索布置在结构上的位置可分为：顶板体外索、腹板体外索、底板体外索。
体外索锚固的形式可分为：钢结构锚固的体外索、混凝土结构锚固的体外索。
五广州市紫坭大桥箱梁体外预应力加固案例
关于体外预应力加固，我以网上的一个紫坭大桥主跨双悬臂T 构预应力混凝土箱梁加固为实例为背景, 说明利用体外预应力加固同类结构在设计、施工及其监控过程中的一些思路和我的看法。
1.紫坭大桥概况
紫坭大桥位于广州市番禺区沙弯镇, 由南向北横跨紫坭河, 旧桥桥面总宽为10. 2 m + 2 ×0. 5 m ;全长420 m ,跨径组合为7 ×20 m + 40 m + 60 m +40 m + 7 ×20 m ;其中主跨跨度60 m ,由两个臂长为20 m 的T 形刚构和20 m 挂梁组成。主跨T 构为单箱双室预应力混凝土双悬臂箱梁, 引桥为钢筋混凝土T 型简支梁。该桥设计荷载为汽车2 20 级, 挂车2 100 ;于1984 年完成设计,1986 年建成通车。该桥建成后, 车流量不断增大以及超重车辆不断增多都大大地超出了设计的预期。经过16 年的超负荷营运,加上主墩及挂梁先后两次被过往船只撞击,致使主桥箱梁顶板、腹板等多处出现裂缝;桥面铺装层出现破碎、拥包现象,为了适应桥上日益增多的重车
交通 , 需要进行大规模的加固维修。并将荷载标提高到汽车2 超 20 ,挂2 120 级。根据对该桥结构病害的详细检查分析 , 整个 T 构箱梁 ,负弯矩区未见明显的裂缝 ,说明结构整体抗弯尚可 ; 车辆在桥上通过时振动过大 ,但无车辆荷载作用时 , T 构两悬臂端未见明显下挠 ,说明结构尚属弹性工作状态阶段 , T 构箱梁的局部裂缝 ,尚属可修复范围。
针对旧桥现状 ,为达到修复旧桥病害 ,提高桥梁荷载等级的目的 ,我认为须作如下处理 :
( 1) 对于裂缝可采用粘贴钢板的方法修复加固 ;
( 2) 对于承载力采用体外预应力加固的方法提高 ;
( 3) 对于桥面采用重修桥面系 ,加大铺装层配筋率。
2.加固设计
（1）体外预应力束的线形布置
为便于穿束和锚固 , 所有体外束均布置在 T 构箱梁空洞内部 , 采用折线形布置。为满足箱梁正截面抗弯强度以及抗剪强度要求 , 按照双悬臂梁受弯弯矩图 , T 构箱梁的根部 , 体外束布置在腹板上缘 ,穿过箱梁内横梁转向向下 , 并通过设在牛腿附近的转向装置锚
固在箱梁悬臂两端。
（2）体外束的预应力损失考虑
由于是体外预应力，体外束与梁体混凝土无粘结作用，其张拉力是在梁体发生弹性压缩的情况下读取的，因而分批张拉引起的混凝土弹性压缩损失极小；在活载作用下,引起体外束中的拉力增量时，考虑到梁体的变形协调及体系的内力平衡，活载拉力增量也不会引起预应力束中的混凝土弹性压缩损失。此外，旧桥混凝土的收缩、徐变在长期使用中已基本完成，由收缩、徐变引起的预应力损失也几乎可以勿略不计。但是，对于整体工作的梁而言，新增加的体外预应力会使梁体变形，使箱梁原有的预应力产生损失。
由以上分析可知，与有粘结的预应力束相比较，体外束的预应力损失要小得多。因此，体外束无须减除过多的预应力损失，为避免体外束长期于高应力状态下工作，其张拉控制应力可适当降低。
（3）体外束面积的确定
体外束面积，可通过箱梁加固前、后的承载力差值，根据叠加原理，按结构设计原理初步估算。但是，一方面，由于布束和锚固位置的局限性，不大可能确切地根据箱梁各截面的抗弯、抗剪的需要配束，而只能根据箱梁的根部截面的抗弯强度确定。一旦控制截面配束被确定，因为体外束沿T 构全梁通长布置，只能通过调整体外束处于箱梁高度的不同位置来应T 构箱梁沿纵向各截面的受力变化。由于转向装置的有限设置，这种调整也是有限度的。另一方面，由于体外束与梁体的不粘结性，在荷载的作用下，体外束与梁体共同组成了一个
空间( 非平面) 的静力平衡体系。因此，体外束在给予梁体预应力的同时，也对悬臂梁起到拉杆的作用。从这点出发，为了提高“拉杆”的安全度，最终所采用的体外束面积要比按承载力差值所估算的面积大些。这样，也为控制张拉时留有更多的余地。
（4）体外束的材料和张拉力
体外束采用ASTMA 4162 87a 270 级标准的无粘结钢绞线，标准强度为1 860 MPa。考虑到体外束的预应力损失较小，若张拉应力取0. 6×1 860 MPa，从给梁体施加预应力的角度出发，经初步估算，一个T构箱梁采用12 束 3 Φj15. 24 钢绞线，每束总面为A= 3×140 mm2，张拉力为T = 3 ×0. 14 ×0. 6×1 860=468. 72 kN；但考虑到体外束作为结构拉杆的作用，最后采用12 束5 Φj15. 24 钢绞线，截面总面积为8 400mm2，但每束的张拉力仍然采用T = 468. 72kN 不变。
（5）转向装置和锚固端
根据双悬臂箱梁的受力特点，在箱梁根部，体外束应尽可能地置于截面受拉区最上缘, 而在悬臂端部( 锚固端)，体外束则应置于截面中性轴附近。为了达到这个目的，就需要设置转向装置。
利用T 构箱梁根部的内横梁，以及在悬臂端部附近新增的一道内横梁，共同组成体外束的导向装置。通过增设的横梁，使体外束的束力与牛腿端的锚固面相垂直。增设箱梁横隔梁，除可作体外束的转向块外，还可以增加箱梁的横向刚度。但是，由于体外束通过转向块而强制转向，在张拉体外束时，会在横梁及转向块的钢束穿过孔道内引
起压应力集中；同时，钢束张力的一部分通过转向块给箱梁顶板一个压力，而这一压力将会引起箱梁顶板顶面拉应力集中。而在锚固端，由于体外束与梁体无粘结，给梁体施加的全部预应力，是通过两锚固端实现的。因此，转向块以及两锚固端处的混凝土必须通过局部应力验算。
转向块和锚固端构造的合理设计是体外预应力可靠传递的保证。为了满足转向装置和锚固端混凝土局部承压要求，对箱梁根部的横隔梁和两锚固端均作了局部粘钢处理。同时，在转向块( 新增的横隔板) 处箱梁顶面粘钢，以满足其局部抗拉的要求。此外，在体外束穿过横梁及转向块的孔道内套入一个φ60 mm 的钢管，钢管的两端打磨光滑，并与钢板环向焊接，该钢板以三束为一组用结构胶粘贴在横梁两面。
3.加固施工和监控
对于旧桥加固而言，加固设计，仅仅是加固工作的一部分，设计的方案能否成功地实施并达到预期的目的，关键在于施工和监控。
体外预应力加固预应力混凝土旧桥，虽然有过很多成功的经验，但还处于不断探索和完善之中，尚未形成成熟的理论。体外预应力加固应用的一个主要的障碍是张拉力的控制,施工时，除了采用张拉力和伸长量双控外，还必须现场对旧桥进行整体情况的监控。边施工边控制，可以消除预应力张拉的畏惧心理。
（1）体外束的施工
体外束加固工作，需要在挂篮里进行，在T 构箱梁两悬臂端各
安装了一套挂篮。体外预应力束从T 构箱梁内部通过，须穿过箱梁根部两道厚的横隔板，以及端横隔梁，锚固在牛腿端部。采用抽蕊钻成孔，钢束的一般通过孔尺寸为φ63 cm ,为了使预应力钢铰线在锚固点附近成喇叭口状分布在锚具上, 锚固端一定范围内需将孔道逐渐扩宽。抽蕊成孔是整个箱梁加固施工的难点,尤其是端横梁内钢筋较密,为避免损伤牛腿主筋,需不时地调整钻孔位置。
预应力束张拉之前,先对横梁、转向块处箱梁顶板以及牛腿进行粘钢处理。粘钢前,粘钢部位混凝土表面须凿除2～3 mm ,以达到能见到粗骨料为度,然后磨平混凝土表面,用J GN 2Ⅱ型结构胶粘贴钢板,待结构胶完全达到预期的强度后再张拉体外束。
因为体外束大部分为裸束,其张拉摩阻力很小,采用一台千斤顶即可。为了消除因体外束张拉的不均匀而引起对箱梁纵向的剪力差,各体外束的张拉应同时、同步分级进行。可将设计的张拉力T 分为0.
5 T 、0. 8 T 、T 三级完成。张拉次序是:0 →0. 05 T →0 →0.
5 T →0. 8 T →T 。每级张拉完成后,观察一小时, 确信桥梁无异常情况后,再进行第二级张拉。体外束张拉时, 除了要控制张拉力和钢束伸长量之外, 还必须对旧桥主要断面的应变及整体挠度情况进行监控,边张拉边观察。
（2）体外束张拉的监控
施工监控，主要在体外束张拉的过程中对梁体的应力和变形情况进行控制。控制的内容是:
①体外束张拉过程中及张拉完成后, 悬臂箱梁截面上缘出现的
压应力增量加上原有钢束给混凝土的压应力之和不能大于现有旧桥混凝土的容许抗压强度。
②体外束张拉过程中及张拉完成后,悬臂箱梁截面下缘不出现拉应力。
③体外束张拉过程中及张拉完成后,箱梁悬臂端的实测挠度不能大于计算值。
预应力张拉之前，要在T 构根部箱梁的顶面和底面预先每隔一定的距离布置应变传感器，并测量箱梁悬臂端部的挠度。在张拉过程中，用仪器观察应变及挠度的变化，只要读数的增量不超过预定数值，则可继续张拉直至完成设计张拉力，否则，应立即停止张拉，重新调整束力。
由于旧桥加固存在很多不确定的因素，因而设计计算的体外束面积和张拉力，也只能是估算,箱梁各截面能否承受得了加固设计的张拉力，实际上还是不好确定的，因此，只有通过施工过程的监控，才能有效地消除对预应力张拉的恐惧心理。
4.总结
(1) 从紫坭大桥主跨T 构的加固结构可知, 体外束加固是一种很好办法，特别对承载力不足的，它没有预应力损失，可以提供利益率。
(2) 由于旧桥加固的许多不确定性,设计与施工应充分沟通,在体外束张拉时实施现场监控,确保结构受压区不出现拉应力,这一点非常必要,边张拉边监控的方法值得推广。
四、加固桥梁总结
通过大学四年的时间，这几年，对桥梁建设发生了很大的变化，从一开始的只知道桥梁的新建经过很长的时间才渐渐的知道桥梁加固，我认为桥梁加固就像机器维修，需要先评估它的破坏程度，然后进行判断是否可以经过维修还可以使用，在维修之前需要有一个整体的规划，进行修理。对于江苏省桥梁的新建已经基本全面了，我认为桥梁的加固是江苏以后的比例会渐渐的增大，我们必须重视桥梁的加固这方面。然而，桥梁的体外预应力加固又是桥梁加固中比较重要的，它有很多的优点，重要的一点是它没有预应力损失，而且施工方便，对桥梁的承载力的提高很明显。它也有缺点是放在外面锈蚀的问题，所以在施工和设计时要重视锈蚀的保护，还有在上面的紫坭大桥的案例中已经提到桥梁加固，仅仅凭理论计算是不够的，在现在的桥梁加固技术中，还有许多的不成熟，如：a) 关于体外束作为结构拉杆的设计应用以及其在挠度计算中的取值问题b) 体外束分批张拉引起自身预应力损失以及原有预应力损失的问题c) 在对结构各部位应力应变以及挠度进行监控过程中,温度变化的影响系数问题等等，都要我们去探索实践。所以，在桥梁加固中要把施工和监测相结合，确保安全设计施工。
参考文献：
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