桥梁体外预应力加固技术综述

桥梁体外预应力加固技术综述
体外预应力技术是后张预应力体系的分支，是无粘结预应力结构技术的一种。

它对置于混凝土截面之外的预应力筋进行张拉，通过体外筋端部锚具和转向块将预应力传递给混凝土结构。

由于体外预应力技术具有结构自重轻，预应力筋替换、维护方便，预应力损失和应力变化幅度小，施工工期短，混凝土质量高、耐久性强等优点，已被广泛地应用于混凝土桥梁结构的加固维修。

1 体外预应力的概念与体系
体外预应力是指对布置于承载桥梁结构本体之外的钢束张拉而产生预应力。

设计时仅把钢束锚固区域设置在桥梁结构本体内，转向块可设在桥梁结构体内或体外。

体外预应力体系由体外预应力管道(高密度聚乙烯管HDPE或钢管等)、浆体（防腐油脂或水泥浆体）、锚固体系和转向块等部件组成。

体外预应力体系分为有粘结体外预应力体系和无粘结体外预应力体系。

有粘结预应力体系是将钢铰线穿入孔道内张拉后，向孔道管内灌入水泥浆。

无粘结预应力体系的体外预应力筋由若干单根无粘结筋组成，将单根无粘结筋平行穿入管内，张拉之前，先完成灌浆工艺，由水泥浆体将单根无粘结筋定位，张拉后不灌入水泥浆。

2 体外预应力加固的组成构造特点及作用机理
2.1 组成构造特点
桥梁体外预应力加固体系的形式是多种多样的。

从构造形式上看，该体系主要由以下几部分组成：水平筋、斜筋、上锚固点、滑块、U形承托、水平筋固定支座。

(1) 体外预应力索、管道和灌浆材料
体外预应力体系采用的预应力索一般由钢铰线组成，包括与体内预应力混凝土结构完全相同的普通钢铰线以及镀锌钢铰线或外表涂层和外包PE防护的单根无粘结钢铰线。

体外预应力索管道主要起防腐作用，它通常有两种形式：一是全部采用钢管道，二是钢管与高密度聚乙烯管道相结合的方式，即除在锚固段及转向弯曲段采用钢管外在其它直线段均采用高密度聚乙烯管道。

体外预应力索管道的灌浆材料可分为刚性灌浆材料和非刚性灌浆材料。

刚性灌浆材料通常指水泥非刚性灌浆材料（如油脂和石蜡）。

水泥灌浆是最简单和常用的，它可以适用于与结构有离散粘结的体外预应力结构，也适用于与结构完全无粘结的体外预应力结构。

而油脂和石蜡通常用在由普通钢铰线和钢管道组成的预应力系统中，以达到钢索与结构无粘结的目的。

(2) 体外预应力索的锚固系统
体外预应力索的锚固体系一般可分为可更换和不可更换两大类。

在可更换的体外预应力锚具中又包括钢索无法放松和可放松两种类型。

使用无法放松的钢索可以是普通的钢铰线也可以是单根无粘结钢铰线。

使用普通钢铰线时在管道中灌注非刚性灌浆材料（油脂或石蜡），使用无粘结钢铰线时管道中一般灌注水泥浆。

但两种类型的锚具中均使用防腐材料填密而不使用水泥浆以满足钢索可更换的要求。

可放松的类型在锚具后需预留一定长度的钢索以满足钢索放松的需要，这种锚具的体外预应力索只能是无粘结钢索。

(3) 体外预应力索的转向装置
体外预应力索的转向装置是体外预应力索在跨内唯一与混凝土体有联系的构件，起体外预应力索转向的重要作用。

图1～图4是体外预应力混凝土结构中最常见的转向装置。

图1为块状式转向构造，只能承受钢索的竖向分力，大量应用于跨径较小、采用阶段施工的体外预应力混凝土结构。

图2为底横肋式转向构造，能承受体外预应力索产生的横向水平分力。

转向构造的混凝土在箱梁底板上是贯通的，这种构造常用于斜、弯的体外预应力
结构。

图3为能承受较大钢索分力的横竖肋式转向构造，竖横肋把钢索的转向力传至箱梁腹板和上梗腋。

由于箱梁采用斜腹板，横肋在底板用另一根横梁贯通以承受转向构造产生的水平分力。

若竖向和横向的横肋全部加宽，这样的转向构造就成为转向横梁，常用于钢索转向力特别大的结构中。

图4为由较轻的钢构件组成转向鞍座的钢鞍座式转向构造，钢板用于传力和定位，斜杆和水平杆的合力用于抵消体外钢索在转向时产生的竖直及水平分力。

这种轻型钢鞍座转向构造使用灵活、方便也可用于加固结构中。

由于转向钢管要承受钢索所产生的向上弯折力，一般需要壁厚较大的钢管。

图1 块状式转向构造图2 底横肋式转向构造
图3 横竖肋式转向构造图4 钢鞍座式转向构造
2.2 作用机理
根据受力特点，可将体外预应力结构分为施加预应力阶段和活载作用两个阶段进行受力分析。

(1) 施加预应力阶段
现以斜筋和水平筋由两块粗钢筋组成的情况为例来分析体外预应力结构在施加预应力阶段的受力情况。

在这种情况下，应先将斜筋和滑块相连接，并固定斜筋的上端。

在张拉水平拉杆时，由于千斤顶的推力作用使梁底两滑块产生相向滑动，这种相向滑动使得斜筋受拉并伸长，同时在滑块和垫板之间产生竖向压力和摩阻力，直到水平筋的拉力达到控制值。

此时滑块达到平衡位置，随即将水平筋锚固（图5）。

斜筋产生的水平分力对梁施加偏心压力，其竖向分力则对梁体产生负弯矩和负剪力。

这些预加力使梁体内储备了一部分抗力，可以部分地抵消外荷载引起的内力，从而提高原梁的承载力。

(a)
(b)
图5 施加预应力阶段梁体受力分析
(2) 活载作用阶段
活载作用时，梁体产生弯曲变形，水平筋中的拉力增加，并使斜筋中的拉力、垫块对梁体的正压力及摩阻力均发生变化。

由于体外预应力结构的构造形式不同，特别是滑块的构造不同，直接影响各拉杆内力增量间的平衡关系。

如按有水平移动的滑块或无滑块情况考虑，取滑块为隔离体（对无滑块情况，相当于取弯折点处的一小段钢索为隔离体），受力图示如图6所示。

(a)(b)
图6 水平移动的滑坡受力分析
图中：P X 为水平筋中的拉力增量；'
X 为斜筋中的拉力增量；X T 为滑块与梁底垫块间
的摩阻力，0X T f N =；X D 为斜筋力的竖向分力，'sin X D X α=；X N 为斜筋力的水平分
力，'cos X N X α=；N 为梁底对滑块的正压力，X N D =。

3 常见的体外预应力加固方法及施工工艺
采用体外预应力对梁式桥上部结构进行补强加固，其作法是在梁体下缘受拉区设置用粗钢筋形成的预应力拉杆或预应力钢束，通过张拉对梁体产生偏心的预应力，在此偏心压力作用下梁体上拱，荷载挠度减小，改善了结构的受力，从而提高了结构承载力。

3.1 下撑式预应力拉杆（粗钢筋）加固法
当桥下净空许可时，可采用在梁下设置预应力拉杆（粗钢筋）体系进行补强，也可将粗钢筋锚固在从梁端数起的第二道横隔板上，改变支撑点的位置和调整拉杆中的拉力以满足承载力的要求。

(1) 横向收紧张拉法
作为拉杆的粗钢筋分两层布置在梁肋底面两侧，在靠近梁端适当位置上弯起，与固定在梁端的钢制U 形锚固板焊接。

粗钢筋弯起处用短钢筋支撑，纵向每隔一定间距设一道撑棍和锁紧螺栓。

通过收紧器将拉杆横向收缩收紧而使拉杆受力，从而在梁体中产生预压应力。

(2) 纵向张拉法
当采用纵向张拉法补强加固时，拉杆钢筋沿梁底部布置，两端向上弯起，它与横向收紧张拉法不同之处在于，拉杆两端弯起段通常都穿过翼缘板上的斜孔伸至桥面，拉杆端部设有丝扣，用轧丝锚锚固于梁顶的锚固槽内，对拉杆钢筋施加预应力可以用旋紧螺帽，端部用张拉千斤顶张拉，拉杆中间设置法兰螺丝收紧扣及电热张拉等手段完成。

(3) 组合式预应力补强拉杆加固法
这是既布置水平补强拉杆，也布置有下撑式补强拉杆的组合式体外预应力加固方法。

(4) 竖向顶撑张拉法
在梁端底部设置U 形钢锚固板，沿梁底设置拉杆，拉杆两端焊在钢锚固板上，在梁的1/4跨径及跨中（或跨间横隔板）位置设置张紧夹具，张紧夹具安装在固定于梁腹或横隔板上的承托架上给拉杆施加预应力，当拉杆达到设计应力值后，用钢筋混凝土垫块在拉杆与梁底面楔紧，以固定拉杆位置并保持张拉力，卸除张紧夹具和承托架并做好拉杆的防锈处理。

3.2 体外预应力钢丝束加固法
一般沿梁肋侧面按某种曲线（抛物线等）线形设置预应力钢丝束。

为保持曲线线形并固定钢束位置，在梁底每隔一定间距（50～100cm）设置一个定位箍圈（有梁底向上兜），或者在梁肋侧面埋设定位销。

钢丝束的两端头则穿过梁端翼缘板上的斜孔伸至梁顶锚固。

为防止钢丝束锈蚀，预应力钢丝束应放在保护导管内或张拉后在钢丝束周围用混凝土包裹。

4 结语
桥梁体外预应力加固是对桥梁结构施加体外预应力，以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，它可以改善旧桥使用性能、提高极限承载能力、降低钢筋应力幅值及控制裂缝，能较好地满足使用荷载的要求，增加结构的使用年限和耐久性，加固效果好且施工质量易控制，是一种十分理想的加固方法，具有广阔的发展前景。