論體外預(yù)應(yīng)力在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

【摘要】體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)作為預(yù)應(yīng)力體系的重要分支，以其優(yōu)良的特性，等到廣泛的推廣應(yīng)用。本文結(jié)合工程實(shí)踐，論述了體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，包括體外預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋、體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊、體外預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)等。

【關(guān)鍵詞】體外預(yù)應(yīng)力；轉(zhuǎn)向塊；錨固；防護(hù)；振動(dòng)

【Abstract】External prestressing technology as an important branch of prestressed system， with its excellent features， until a wide range of application. Combining engineering practice， it discusses the key technologies externally prestressed structures， including in vitro tendons and ordinary steel， externally prestressed steering block， in vitro prestressed anchorage system.

【Key words】Externally prestressed；Turning pieces；Anchor；Protection；Vibration

1. 前言

體外預(yù)應(yīng)力（External Prestressing Force）技術(shù)是將預(yù)應(yīng)力筋束布置在主體結(jié)構(gòu)外部，通過錨固端和轉(zhuǎn)向裝置來傳遞預(yù)加應(yīng)力。體外預(yù)應(yīng)力不僅被用于新建結(jié)構(gòu)，還被用來加固舊橋結(jié)構(gòu)，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用和推廣，但相對(duì)國(guó)外，該技術(shù)的發(fā)展在我國(guó)還處于初期階段，很多問題需要研究解決，而且體外預(yù)應(yīng)力一些關(guān)鍵問題在設(shè)計(jì)施工中容易被忽視，造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題，因此，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)行深入的研究。

2. 體外預(yù)應(yīng)力體系及特點(diǎn)

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展和工程應(yīng)用，目前已形成兩種主要體系，如Fressinet和VSL體系均包括這兩種體系。體系1：體外預(yù)應(yīng)力筋穿入HDPE或鋼管孔道內(nèi)，張拉后灌漿。這種體系稱為有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力。此體系的優(yōu)點(diǎn)是：由于孔道管在結(jié)構(gòu)體外，管道的鋪設(shè)質(zhì)量及其水密性容易檢查和控制。預(yù)應(yīng)力的摩阻損失較小。體系2：體外預(yù)應(yīng)力筋由單根無粘結(jié)筋平行穿入HDPE或鋼管孔道內(nèi)張拉之前完成灌漿，由漿體將單根無粘結(jié)筋定位。這種體系稱為無粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力。此體系的優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)胃鶡o粘結(jié)筋的摩阻損失極小，可采用單根張拉工藝，張拉設(shè)備體積小，易操作，預(yù)應(yīng)力筋具有四層防護(hù)（油脂、HDPE、漿體和外套管），因而其耐腐蝕性好且防護(hù)安全性可靠，在使用期間可重復(fù)調(diào)整預(yù)應(yīng)力值，更換預(yù)應(yīng)力筋方便。

3. 體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊和錨固塊

體外預(yù)應(yīng)力橋梁的體外預(yù)應(yīng)力筋只在錨固位置和轉(zhuǎn)向塊位置與結(jié)構(gòu)相聯(lián)。因此，錨固與轉(zhuǎn)向塊在體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的地位舉足輕重。是體外預(yù)應(yīng)力橋梁中最重要的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

3.1體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的轉(zhuǎn)向塊。

（1）轉(zhuǎn)向塊的作用是傳遞體外束作用力，限制體外索的自由長(zhǎng)度，調(diào)整體外束偏心距。轉(zhuǎn)向塊由于受較大集中力及預(yù)應(yīng)力筋的摩擦作用，受力復(fù)雜。一旦設(shè)計(jì)不合理、結(jié)構(gòu)措施不當(dāng)或體外預(yù)應(yīng)力筋定位不準(zhǔn)確，將給體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重后果，故其設(shè)計(jì)直接關(guān)系著結(jié)構(gòu)的使用效果和耐久性。目前常見的轉(zhuǎn)向塊有三種，即塊式、橫隔板式和肋式。隔板式和肋式轉(zhuǎn)向塊的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)向塊處可形成抵抗力筋張拉力分力的受壓支柱，這一受壓支柱從管道一直形成到橋面，承載能力較大。它的缺點(diǎn)是增加恒載重量、加大腹板平均厚度、模板構(gòu)造也比較復(fù)雜。塊式轉(zhuǎn)向塊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是僅在底板根部設(shè)置很小的混凝土塊，這樣給結(jié)構(gòu)施加的附加荷載就相對(duì)較小，模板構(gòu)造也很簡(jiǎn)單，可以把復(fù)雜程度控制在最小程度，為施工帶了較大方便。但它的缺點(diǎn)是一旦發(fā)生開裂后不能形成受壓支柱，轉(zhuǎn)向塊處的分力由于鋼筋作用直接傳遞到箱梁底板或腹板，力束的垂直分力或水平分力都有使轉(zhuǎn)向塊從梁體拉脫的傾向。故其受力、配筋相對(duì)復(fù)雜，而承載能力不如橫隔板式、肋式。從結(jié)構(gòu)的承載能力、使用安全等綜合因素出發(fā)，運(yùn)用較廣泛的是肋式轉(zhuǎn)向塊。

（2）轉(zhuǎn)向塊對(duì)二次效應(yīng)影響的改變。

結(jié)構(gòu)在荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生拋物線形狀，力筋的變形和結(jié)構(gòu)的變形并不協(xié)調(diào)，存在一個(gè)偏心距，即對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次效應(yīng)影響。二次效應(yīng)大大降低了體外預(yù)應(yīng)力的作用和結(jié)構(gòu)的抗彎性能，設(shè)計(jì)中，適當(dāng)加密轉(zhuǎn)向塊的間距，可減小其產(chǎn)生的不利影響。同時(shí)，在轉(zhuǎn)向塊處采用圓弧線型，控制最小半徑，以獲得良好的工程效果。有關(guān)資料表明，當(dāng)設(shè)置了轉(zhuǎn)向塊，結(jié)構(gòu)的二次效應(yīng)影響會(huì)明顯降低，尤其是將轉(zhuǎn)向塊布置在結(jié)構(gòu)撓度最大的地方，效果尤為明顯，能使結(jié)構(gòu)的整體承載力提高30%～40%左右。另外，在彈性階段體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的二次效應(yīng)均比較小，在設(shè)計(jì)中可不予考慮。

3.2體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的錨固塊。

（1）錨固系統(tǒng)可分為可更換和不可更換兩類。對(duì)于不可更換的體外預(yù)應(yīng)力錨具而言，其鋼索不能更換或調(diào)整，常用于體外預(yù)應(yīng)力拉索與整體結(jié)構(gòu)有離散粘結(jié)的結(jié)構(gòu)，如：懸拼結(jié)構(gòu)、串連結(jié)構(gòu)和拼接梁結(jié)構(gòu)等；對(duì)于可更換的體外預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)，錨具與混凝土結(jié)構(gòu)之間是隔斷的，其功能與斜拉橋類似，既有錨固功能，也便于調(diào)整更換。如：橋梁加固、系桿拱構(gòu)造等。錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行選取。

（2）錨固系統(tǒng)通常采用配有夾片群錨的非平行鋼絞線或配有墩頭錨、冷鑄錨的平行高強(qiáng)鋼絲布置形式。當(dāng)遇到必須更換大量預(yù)應(yīng)力筋的情況，需要獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)鋼錨箱，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連接和內(nèi)力的傳遞。鋼錨箱不僅是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，也是最為薄弱的部位。首先，對(duì)鋼錨箱進(jìn)行有限元分析，獲取錨固體系及其附近結(jié)構(gòu)的受力性能、應(yīng)力分布的情況。建模時(shí)對(duì)于工況的選取，應(yīng)盡可能與實(shí)際相符，同時(shí)，要檢驗(yàn)有限元密度劃分是否合理；其次，建立錨固體系的模擬實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)構(gòu)件應(yīng)力變化明顯、受力脆弱及能充分反應(yīng)構(gòu)件受力特性的區(qū)域進(jìn)行模擬，將測(cè)試結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，來判斷構(gòu)件安全性和承載力。

4. 體外預(yù)應(yīng)力筋的防護(hù)處理與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

4.1體外預(yù)應(yīng)力筋的防護(hù)處理。

體外預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)正常使用功能下降的主要原因，如何進(jìn)行預(yù)應(yīng)筋的防護(hù)就顯得尤為重要。在體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)使用早期，由于防腐條件的限制，其工程應(yīng)用幾乎被停滯。目前，高性能鋼索及其抗腐處理的進(jìn)一步發(fā)展，為體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的再次興起提供了有利支持。體外預(yù)應(yīng)力筋的防護(hù)可分為整體防護(hù)和局部防護(hù)。整體防護(hù)是在鋼絞線上涂鋅或靜電吸附環(huán)氧涂層.并將建筑油脂填充在鋼管或高密度PE（聚乙烯）管內(nèi)，其方法類似于斜拉索；局部防護(hù)是在錨固裝置和轉(zhuǎn)向塊處，進(jìn)行密封處理和涂防腐層，做好連接部位的保護(hù)。通過對(duì)體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的整體和局部處理，有效地提高結(jié)構(gòu)體系的耐久性能和使用壽命。當(dāng)前體外預(yù)應(yīng)力筋的防腐仍需進(jìn)一步的加強(qiáng)，尤其對(duì)于大跨徑的結(jié)構(gòu)，要充分考慮“換索”的可能性。隨著CFRP（碳纖維復(fù)合材料）的研究與發(fā)展，其具有的物理力學(xué)性能，如：自重輕、強(qiáng)度高和抗腐蝕性等特性，為體外預(yù)應(yīng)力索的防護(hù)開辟了新的道路，今后碳纖維的聚合束將可能替代鋼絞線筋束。

4.2體外預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)中的力筋設(shè)計(jì)。

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是加固、修復(fù)舊橋結(jié)構(gòu)最有效的方法之一，有效地解決了舊橋結(jié)構(gòu)正常使用承載能力不足的問題。在進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)理論模擬計(jì)算時(shí)，需要考慮的因素很多，如：體外預(yù)應(yīng)力筋的布置、體外預(yù)應(yīng)力筋的面積和加固后承載能力驗(yàn)算等等，其中如何進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力筋的布置和面積確定，是獲得良好補(bǔ)強(qiáng)效果的關(guān)鍵。對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力筋的布置而言，應(yīng)根據(jù)彎矩包絡(luò)圖、實(shí)際工況進(jìn)行配索設(shè)計(jì)和布設(shè)定位，最終確定力筋的線型走向；對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力筋的面積設(shè)計(jì)而言，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面的抗彎強(qiáng)度來確定，并考慮結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)役期所造成的各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失。將舊橋的承載能力和補(bǔ)強(qiáng)所需承載能力進(jìn)行對(duì)比，用兩者的差值來確定有效預(yù)應(yīng)力、力筋偏心距和預(yù)應(yīng)力筋面積。值得注意的是，基于對(duì)體外預(yù)應(yīng)力筋增量和二次效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)時(shí)要選取一個(gè)安全系數(shù)進(jìn)行綜合考慮，以保證可靠性和安全性。

4.3粱內(nèi)普通鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。

體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，普通鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響不能忽略，只有全面地考慮相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)，才能獲得合理的配置設(shè)計(jì)。隨著梁內(nèi)普通鋼筋配筋率的增大，體外預(yù)應(yīng)力梁的承載能力明顯提高；梁內(nèi)普通鋼筋配筋率和普通鋼筋屈服荷載的增大，體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量也逐漸增大；當(dāng)梁內(nèi)普通鋼筋配筋率過大，體外預(yù)應(yīng)力筋的彎曲變形反而變?nèi)?。通常，在體外預(yù)應(yīng)力梁內(nèi)，設(shè)置一定數(shù)量的普通鋼筋（約大于0.3%），對(duì)改善和提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力性能是極為有利的，但注意也不宜過大。

4.4體外預(yù)應(yīng)力加固梁的振動(dòng)

研究體外預(yù)應(yīng)力加固梁動(dòng)力特性的基礎(chǔ)就是其固有頻率，它實(shí)際上表征了梁對(duì)動(dòng)荷載的敏感程度，精確求得體外預(yù)應(yīng)力加固梁的自振頻率理論值對(duì)結(jié)構(gòu)健康評(píng)估和養(yǎng)護(hù)意義深遠(yuǎn)。

我國(guó)技術(shù)規(guī)范中以靜力計(jì)算為主，關(guān)于動(dòng)力方面指出：體外索的自由長(zhǎng)度超過10m時(shí)應(yīng)設(shè)置定位裝置。體外索和混凝土加固梁是兩個(gè)獨(dú)立的構(gòu)件，有各自的振動(dòng)狀態(tài)和變形（除錨固端及轉(zhuǎn)向裝置處），這是與傳統(tǒng)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力所不同的。當(dāng)加固后的梁、體外索的振動(dòng)頻率和外部激勵(lì)頻率三個(gè)中有兩個(gè)比較接近，就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，容易導(dǎo)致錨具產(chǎn)生疲勞損傷，甚至直接脫錨，而且轉(zhuǎn)向裝置處體外預(yù)應(yīng)力索也容易疲勞損傷，久而久之會(huì)導(dǎo)致索的斷裂，造成加固梁脆性破壞，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。研究體外預(yù)應(yīng)力加固梁的固有頻率，根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力加固張拉階段和受力特點(diǎn)的不同，用經(jīng)典的動(dòng)力學(xué)方法建立各階段的振動(dòng)方程，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的求解方法，對(duì)其振動(dòng)方程進(jìn)行求解，得到在不同體外索線型下加固梁的自振頻率，明確被加固梁、體外索和外部荷載激勵(lì)三者頻率，并采取技術(shù)措施，可防止共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

5. 體外筋應(yīng)力增量的計(jì)算

體外筋應(yīng)力增量的計(jì)算很復(fù)雜，其影響因素包括荷載作用形式及約束情況、跨高比、預(yù)應(yīng)力筋及非預(yù)應(yīng)力筋的用量、材料特性、有效預(yù)應(yīng)力的大小等。根據(jù)體外筋應(yīng)力增量與梁跨中撓度近似成直線關(guān)系，體外筋應(yīng)力增量有一定的變化規(guī)律：

5.1體外預(yù)應(yīng)力筋與梁體變形不協(xié)調(diào)，不能根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力筋重心處的混凝土變形來計(jì)算體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量，而應(yīng)通過各轉(zhuǎn)向塊（錨固點(diǎn)）問的距離變化計(jì)算體外預(yù)應(yīng)力筋的變形，進(jìn)而得出體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量。

5.2加固梁重新開裂以前，體外筋應(yīng)力增量增長(zhǎng)速度緩慢，與荷載基本成線性變化。

5.3對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力加固梁，構(gòu)件重新開裂以后并不象普通體外預(yù)應(yīng)力梁一樣截面剛度明顯降低，體外筋應(yīng)力增量增長(zhǎng)速率有明顯的增大，而要等到舊的裂縫延伸或者新裂縫產(chǎn)生才有這種現(xiàn)象發(fā)生。

5.4隨著梁體撓度的增大，體外筋的應(yīng)力增量也在增大。直線形體外筋受二次效應(yīng)影響的程度大，因此它的應(yīng)力增量相對(duì)較?。徽劬€型體外筋受二次效應(yīng)的影響程度小，因此它的應(yīng)力增量相對(duì)較大。

5.5體外筋的極限應(yīng)力增量大小各不相同而且差別較大。因此，《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ92-2004 J409-2005）規(guī)定的體外力筋應(yīng)力設(shè)計(jì)取值偏于安全。

6. 結(jié)語

隨著新材料和新技術(shù)的不斷發(fā)展，如何提高實(shí)力成為未來競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。在我國(guó)，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)滯后，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工等方面的深入研究，是促使體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展的主要?jiǎng)?/p>

力，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的錨固系統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)廣泛應(yīng)用于橋梁的修建與加固工程，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，其可靠性具有很高的要求。因此，體外預(yù)應(yīng)力錨具的各種技術(shù)指標(biāo)，均應(yīng)嚴(yán)格掌握，以保證結(jié)構(gòu)安全性能。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D62--2004）.北京：人民交通出版社，2004.

[2]李晨光，劉航.高效體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)錨具系統(tǒng)研究應(yīng)用[J]，建筑技術(shù)開發(fā)，2001.（5）：11～17.

[3]熊學(xué)玉，顧煒，李亞明.體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系探討.工業(yè)建筑，2004年第7期.

[4]肖錫康伍波，體外預(yù)應(yīng)力橋梁構(gòu)造細(xì)節(jié)探討，公路交通技術(shù)，2002年02期.

[作者簡(jiǎn)介] 鄭向東（1969-），男，本科，職稱：高級(jí)工程師 ，長(zhǎng)期從事公路橋梁工程技術(shù)工作。