分析新型預(yù)應(yīng)力體系加固橋梁理論

李艷琴

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各類重型車輛數(shù)目爆發(fā)式的增長，加重了橋梁的負(fù)擔(dān)，因此必須充分利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行加固。對(duì)具有受拉邊為大平面結(jié)構(gòu)的橋梁，如中、小跨徑的板式橋、小箱梁及大箱梁橋的頂?shù)装宓?，采用通常的預(yù)應(yīng)力方法加固時(shí)，由于布筋不便，難以實(shí)現(xiàn)。因此，尋找一種合適的加固方案是我們面臨的新問題。本文結(jié)合已有的橋梁加固理論介紹了一種新型的預(yù)應(yīng)力體系加固理論，并論述了預(yù)應(yīng)力體系加固理論研究趨勢(shì)

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力體系；橋梁結(jié)構(gòu)

一.預(yù)應(yīng)力體系加固研究分析

預(yù)應(yīng)力加固從根本上解決了后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后問題，可以充分發(fā)揮后加補(bǔ)強(qiáng)材料的高抗拉性能，提高后加補(bǔ)強(qiáng)材料的利用效率；由于預(yù)加力的作用改善了原梁的應(yīng)力狀態(tài)，可以提高原梁的承載力和抗裂性能。正截面抗彎加固要加預(yù)應(yīng)力，斜截面抗剪加固也要加預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力技術(shù)是20世紀(jì)最具革命性的結(jié)構(gòu)構(gòu)思，已廣泛用于土木和建筑工程。針對(duì)橋梁帶載加固后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后的先天不足，預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在橋梁加固中的應(yīng)用具有更為特殊的意義。

目前國內(nèi)對(duì)該預(yù)應(yīng)力體系加固板橋有過一些工程實(shí)踐，但未公開重要的技術(shù)參數(shù)及工藝，作為覆蓋層的高強(qiáng)度復(fù)合樹脂砂漿只能工廠生產(chǎn)，還未能現(xiàn)場(chǎng)配置，且價(jià)格較高，難于推廣應(yīng)用。加上國內(nèi)的板式板比較復(fù)雜，有現(xiàn)澆的、有預(yù)制的、有鋼筋混凝土的、有預(yù)應(yīng)力混凝土的、有實(shí)心的、有空心的，且空心的形式五花八門，對(duì)預(yù)應(yīng)力的施加傳力及錨固都會(huì)產(chǎn)生重大的影響，因此有必要研究各種情況下該體系的設(shè)計(jì)方法及實(shí)施工藝，以滿足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的廣泛的需要。

國外對(duì)采取預(yù)應(yīng)力加固板式橋、小箱梁及大箱梁橋的頂?shù)装宓却笃矫娼Y(jié)構(gòu)的研究起步早些，但采用先張拉后覆蓋的方法，采用的覆蓋層為高強(qiáng)度復(fù)合樹脂砂漿，價(jià)格較高，在國內(nèi)根本不能普及應(yīng)用。經(jīng)近幾年對(duì)發(fā)達(dá)國家的橋梁加固技術(shù)水平有相應(yīng)的研究和了解，目前發(fā)達(dá)國家對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁加固技術(shù)研究較多，因發(fā)達(dá)國家的橋梁大多為鋼橋，我國的橋梁大多為混凝土橋梁，國內(nèi)外對(duì)混凝土橋梁的加固技術(shù)研究水平狀況與國內(nèi)差不多，都存在類似問題，只是程度不同而已。

二、橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力加固體系及受力分析

加固薄弱構(gòu)件的方法很多，從工作原理上可劃分為被動(dòng)加固和主動(dòng)加固兩大類：直接加筋類被動(dòng)加固和預(yù)應(yīng)力主動(dòng)加固。承載力加固是確保結(jié)構(gòu)安全工作的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮橋梁帶載加固分階段受力特點(diǎn)，后加補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)變（應(yīng)力）滯后是影響加固構(gòu)件工作性能、制約后加補(bǔ)強(qiáng)材料利用效率和控制加固工程成本的瓶頸。預(yù)應(yīng)力主動(dòng)加固技術(shù)是承載力加固的首選方案。其優(yōu)點(diǎn)如下：

1、由于自重增加小，減小了對(duì)墩臺(tái)及基礎(chǔ)受力狀況的影響，可節(jié)省對(duì)墩臺(tái)及基礎(chǔ)的加固量；

2、施加體外預(yù)應(yīng)力加固可以改善橋梁恒載的內(nèi)力分配，增加全橋剛度，閉合裂縫，并調(diào)整變形；

3、還可以較好的提高梁體的抗彎截面模量，減小梁體繞度，減小受拉區(qū)梁體裂縫，從而調(diào)整原結(jié)構(gòu)的受力狀況，提高剛度及抗裂性；

4、可在不限制通行的條件下進(jìn)行加固施工，既可作為橋梁通過重車的臨時(shí)加固手段，也可作為永久提高承載能力的措施。現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力加固體系主要有以下4類：（1）體外預(yù)應(yīng)力加固體系；（2）無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系；（3）高強(qiáng)復(fù)合纖維預(yù)應(yīng)力加固體系；（4）有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固體系。

三、新型的橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力體系加固原理

此種預(yù)應(yīng)力加固受彎構(gòu)件時(shí)的應(yīng)力計(jì)算分為二個(gè)階段計(jì)算，即全張拉階段和放張階段。

1、全張拉階段。該階段為張拉應(yīng)力筋階段，可以不中斷交通施工，作用于構(gòu)件上的荷載不僅有構(gòu)件的自重、活載、溫差等，還有預(yù)加力。施加預(yù)應(yīng)力在板或梁的受拉邊，在受拉邊開裂后，開裂截面（也是控制的計(jì)算截面）受拉邊砼的拉應(yīng)力已經(jīng)釋放，即該截面在現(xiàn)有的所有荷載作用下，受拉邊緣砼應(yīng)力為零。要使裂縫閉合或?qū)挾葴p小，就要對(duì)受拉邊砼施加預(yù)壓應(yīng)力。開裂截面受拉區(qū)的砼雖然不能承擔(dān)拉應(yīng)力，但能承擔(dān)壓應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力加固后只要受拉邊緣不出現(xiàn)拉應(yīng)力或裂縫，截面的幾何特性應(yīng)按全截面計(jì)。

2、放張階段。該階段是在覆蓋預(yù)應(yīng)力鋼筋的砂漿達(dá)到強(qiáng)度以后，對(duì)部分鋼絲進(jìn)行對(duì)稱地放松，放松的預(yù)應(yīng)力鋼絲已經(jīng)與砂漿粘結(jié)在一起，利用鋼絲的回縮對(duì)覆蓋的砂漿層也施加一定的預(yù)應(yīng)力，相當(dāng)于先張法對(duì)砂漿層施加預(yù)應(yīng)力。而未放松的鋼絲仍通過錨座端對(duì)原構(gòu)件施加預(yù)壓應(yīng)力，相當(dāng)于后張法對(duì)原構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力，但該部分預(yù)加力比第一階段施加的預(yù)應(yīng)力

小了。也就是說在該階段砂漿層邊緣的應(yīng)力只有放松的預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)其產(chǎn)生壓應(yīng)力，按先張法計(jì)算。而原構(gòu)件受拉邊緣及受壓邊緣砼的應(yīng)力為放松鋼絲按先張法施加的應(yīng)力與未放松鋼絲按后張法施加的應(yīng)力之和。

加固后截面的幾何性質(zhì)（計(jì)入砂漿層）同樣按全截面考慮。本加固方法采用分散錨固及分散應(yīng)力傳遞的方式，結(jié)合先張法及后張法的優(yōu)點(diǎn)，使用普通砂漿覆蓋，并使之也產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，而非采用昂貴的高性能砂漿，解決目前板式橋、小箱梁及大箱梁橋的頂?shù)装宓却笃矫娼Y(jié)構(gòu)不能采用預(yù)應(yīng)力加固的難題。通過建立模型，計(jì)算分析預(yù)應(yīng)力在不同階段的應(yīng)力傳遞機(jī)理，結(jié)果表明此加固方法具有可行性與適用性。

四、預(yù)應(yīng)力體系加固理論研究的趨勢(shì)

由于體外預(yù)應(yīng)力近二十年來才在工程中開始大量應(yīng)用，所以與體內(nèi)無粘結(jié)和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力相比研究較少。目前國內(nèi)外對(duì)體外預(yù)應(yīng)力的二次影響和正截面承載力的計(jì)算方面的研究相對(duì)較多，但是大多試驗(yàn)都是針對(duì)簡(jiǎn)支梁，而且很多是通過計(jì)算機(jī)非線性有限元分析方法進(jìn)行研究，還沒有適合工程實(shí)用的簡(jiǎn)單方便的計(jì)算公式。對(duì)于其他方面，比如斜截面承載力、構(gòu)件的短期剛度和長期剛度計(jì)算、裂縫寬度的計(jì)算、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能、預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算及其體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的抗震性能等，有的研究剛剛開展且大多是定性的研究，有的則還沒有進(jìn)行相關(guān)的研究。目前，體外預(yù)應(yīng)力許多方面的計(jì)算是借鑒體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的公式。如上所述，由于二次影響的存在使得體外預(yù)應(yīng)力梁的承載力低于體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁的承載力，而且梁的跨高比越大差別越大，這就給工程帶來了安全隱患。我國越來越多的舊有建筑物需要加固處理，但是研究工作的相對(duì)滯后阻礙了體外預(yù)應(yīng)力這一最有力的加固技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

今后迫切需要進(jìn)行更加全面而系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，更深入了解體外預(yù)應(yīng)力體系的工作性能，并將定性與定量問題結(jié)合起來，給出計(jì)算承載力、短期和長期剛度、裂縫寬度、動(dòng)力反應(yīng)及預(yù)應(yīng)力損失等方面簡(jiǎn)單實(shí)用并和我國規(guī)范相統(tǒng)一的計(jì)算公式。同時(shí)，筆者也建議在無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力規(guī)程中增加體外預(yù)應(yīng)力部分的內(nèi)容，從而推動(dòng)體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展。

結(jié)束語

預(yù)應(yīng)力加固即在加固過程中建立永久的，與外部荷載作用相反的內(nèi)力以及內(nèi)應(yīng)力，以達(dá)到消除結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的小部分的外力，改善預(yù)應(yīng)力在不同條件下的變形性能，提高橋梁的堅(jiān)固強(qiáng)度，從而提高承載力，確保結(jié)構(gòu)安全地工作，達(dá)到加固的主要目的。

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