體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計方法研究

段偉峰

（廣東粵路勘察設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510000）

近年來，我國的交通業(yè)取得了長足的發(fā)展，為滿足大量貨物的有效運輸，許多重型車輛應(yīng)運而生。重型車輛雖然能在運輸能力上得到保證，但是在行駛的過程中使得公路和橋梁負(fù)荷加重，導(dǎo)致公路和橋梁的運營狀況不斷惡化，最終很多使用時間較長的橋梁出現(xiàn)過度老化，甚至?xí)霈F(xiàn)破損嚴(yán)重的情況。在橋梁最初設(shè)計時，其設(shè)計荷載等級較低，也是導(dǎo)致橋梁損傷和老化的重要原因。為防止已建的老化、損傷，或者荷載等級較低的橋梁在現(xiàn)有交通量通行下結(jié)構(gòu)不受到破壞，需對橋梁采用加固的方法以延長其使用壽命，而體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)可以很好地達到加固效果。

1 體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)造

1.1 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的錨固系統(tǒng)

體外預(yù)應(yīng)力錨固體系的主要部件有錨具、錨固塊及鋼墊板等，錨固體系通常分為兩類，分別為可更換式和永久式。

1.2 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的減振系統(tǒng)

對于體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，主要對梁體與體外筋進行固有振動特性分析，因為體外預(yù)應(yīng)力筋只能借助轉(zhuǎn)向塊和錨固端給予混凝土梁體一定壓力，才能在加載過程中傳遞力的變化，然而并沒有對轉(zhuǎn)向塊起到限制作用，所以和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋不同，其變形和振動皆脫離梁體。分析體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)振動的特性是為了當(dāng)結(jié)構(gòu)振動受外力影響時，能夠確保梁體、體外預(yù)應(yīng)力筋所固有的振動頻率和外動力荷載的頻率有所不同，防止梁體、體外預(yù)應(yīng)力筋以及外動力荷載出現(xiàn)共振。體外預(yù)應(yīng)力加固梁的振動主要受到梁體及體外預(yù)應(yīng)力索的影響。

橋體外索減振裝置主要是通過選擇減振橫梁配合減振支架的方式來進行設(shè)置，具體構(gòu)造如圖1所示。具體操作如下：（1）在箱梁兩腹板中間部分放置減振橫梁，確保方向為橫向。橫梁由兩根槽鋼組成，將其放置于體外索下方，且緊挨護套管放置。（2）在橫梁兩側(cè)用鋼板進行錨固，同腹板連接，并按照6m的間隔距離逐個固定減振橫梁。減振支架包括墊塊、套管和支架三個基本結(jié)構(gòu)，其中墊塊使用橡膠材質(zhì)，套管為半圓形鋼材料，二者用來幫助緊固松散的體外束，然后使用鋼支架將體外束設(shè)置在減振橫梁上，將上方護套管拆除。為了增強整體的穩(wěn)定性和牢固性，需要在護套管中設(shè)計一種由橡膠墊和鋼板組成的收緊裝置，用來讓體外束更加緊密，如圖2所示。此裝置一般按照3m的間隔進行安裝。

圖1 橋體外索減振裝置構(gòu)造圖

圖2 體外束收緊裝置

1.3 體外預(yù)應(yīng)力筋的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

體外預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是體外預(yù)應(yīng)力橋梁中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，直接關(guān)系著預(yù)應(yīng)力受力系統(tǒng)的狀況。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對而言較為特別，自身不僅裝置錨固結(jié)構(gòu)，還要承擔(dān)體外索的方位調(diào)整工作。預(yù)應(yīng)力折線筋的形成受到轉(zhuǎn)向塊的制約，當(dāng)轉(zhuǎn)向塊對預(yù)應(yīng)力筋方向做出調(diào)整后，可以形成這種折線筋。轉(zhuǎn)向塊的受力形式比較復(fù)雜，偏大的集中作用力以及相關(guān)的摩擦力等都會產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類可以根據(jù)作用特點的不同進行分類，在傳載結(jié)構(gòu)上可以分為兩類，分別用于橫縱向裝置。一種是承壓型，通常在矩形或T形狀箱梁中橫向安裝，這是一種將受力轉(zhuǎn)化為壓力，通過荷載傳遞同原裝置相連；另一種為剪切型，主要用于縱向固定，是一種利用剪力進行荷載傳導(dǎo)的作用形式。在橋梁加固的具體實施過程中，對其進行布筋時，由于空間有限，轉(zhuǎn)向塊處的鋼束的彎起角度過大或鋼束半徑過小，將會對體外預(yù)應(yīng)力的強度產(chǎn)生一定影響，因此應(yīng)盡量降低體外預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力，通常情況下，張拉控制應(yīng)力可取鋼束標(biāo)準(zhǔn)強度的0.40～0.65。且需要注意的是，在進行張拉時，應(yīng)以強度控制為主、引伸量控制為輔。

2 體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)向裝置配筋設(shè)計

在設(shè)計計算混凝土梁橋時，國外專家對結(jié)構(gòu)做出了兩種類型的區(qū)域劃分，分別是B區(qū)和D區(qū)。前者可以通過內(nèi)力合計判斷截面應(yīng)力狀況，這種截面應(yīng)變分布能夠與預(yù)設(shè)的平截面區(qū)域一致。未發(fā)生開裂的情況下，可以根據(jù)面積、慣性矩等相關(guān)數(shù)據(jù)分析應(yīng)力大小。同理，在已經(jīng)發(fā)生開裂的狀況下，則需要結(jié)合桁架模型輔助計算。D區(qū)和B區(qū)相比，在截面的應(yīng)力狀況明顯表現(xiàn)為非線性特點，受到空間分布不連續(xù)等因素的干擾。我國目前的相關(guān)研究主要針對B區(qū)展開。根據(jù)受彎部件做出研究，常規(guī)條件下正常使用達到的極限狀況以及受應(yīng)力下的極限狀態(tài)需要結(jié)合截面進行計算，以此作為基礎(chǔ)，而在當(dāng)前有關(guān)D區(qū)的混凝土橋梁理論研究中探討的內(nèi)容少之又少。在實際的橋梁施工活動中，受制于D區(qū)受力狀況的復(fù)雜性以及相對煩瑣的構(gòu)造條件，在缺少科學(xué)的指導(dǎo)性規(guī)范環(huán)境下，這種依賴于以往經(jīng)驗進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的D區(qū)往往會存在一些問題，如產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫等。關(guān)于受拉型塊式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)破壞的類型一般有三種：箍筋受損、梁作用破壞、剪切破壞。按照相應(yīng)的受力作用以及破壞特點可以設(shè)計相應(yīng)的拉壓桿裝置，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向塊的拉壓桿計算模型

2.2 鋼結(jié)構(gòu)錨固轉(zhuǎn)向體系構(gòu)造設(shè)計

錨固體系和轉(zhuǎn)向體系是體外預(yù)應(yīng)力加固的重要部位，在受力方面較為復(fù)雜，因此在設(shè)計方面對其要求也較高，除了需具有較大的輕度，也要有較高的可靠度。

（1）錨固體系。鋼結(jié)構(gòu)錨固體系使用十分廣泛，其基本組成構(gòu)造包括若干部件，如底座、傳力板、隔斷板、墊板、加力和粘貼裝置、黏結(jié)膠體、錨栓等。鋼錨箱構(gòu)造具有靈活性，能根據(jù)橋梁工程的具體特征做出調(diào)整，且強度和剛度都較大，施工快速方便，受力較明確，然而，其也存在易生銹的缺點，對防護要求較高。影響錨箱構(gòu)造的因素一般是橋梁結(jié)構(gòu)、固定位置以及所需的預(yù)應(yīng)力。在完成仿真分析以及多次實踐的磨合后，鋼錨箱的設(shè)計便可以根據(jù)需要做出改動，在橋梁工程結(jié)構(gòu)、錨定位置等方面自行設(shè)計，可見鋼結(jié)構(gòu)的錨固體系適應(yīng)性和實用性較強。選擇錨栓時通常會選擇承載力大、膨脹較小的大噸位錨栓進行錨固，此錨栓承受動荷載能力較強。

（2）轉(zhuǎn)向體系。體外索在橋梁箱梁中的平彎和豎彎需要根據(jù)錨固要求來進行確定和設(shè)置，需設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力的轉(zhuǎn)向裝置。鋼結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)向體系的結(jié)構(gòu)主要有轉(zhuǎn)向支架、轉(zhuǎn)向器以及連接用具。其中，經(jīng)常用到的是轉(zhuǎn)向支架，比如當(dāng)箱梁內(nèi)凈高1.0～3.5m、體外預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)向和通過2～10束時，將轉(zhuǎn)向支架用于箱梁較低的設(shè)計中，這種轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)可直接連接頂端和底板。利用這種方法持續(xù)推進橋梁加固時，應(yīng)在橋跨的1/4～1/2處允許墩頂部位可以根據(jù)需要自行調(diào)整，不必完全依賴橫隔板來實現(xiàn)。在施工過程中，雖然各種轉(zhuǎn)向裝置的基本構(gòu)造和外形特征具有統(tǒng)一性，但是實際設(shè)置參數(shù)則應(yīng)該以鋼絞線結(jié)構(gòu)特征為依據(jù)。和原有的橋跨連接方式不同，不能只簡單取決于尺寸和數(shù)量，還要考慮到箱型界面規(guī)格、加受預(yù)應(yīng)力形成的多變束數(shù)、作業(yè)人員通行需要等，結(jié)構(gòu)變化比較明顯。

3 結(jié)束語

綜上所述，在加固橋梁時，選擇體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)不僅能夠增強既定橋體自身的抗彎和抗剪承載水平，還能夠提高實際施工環(huán)節(jié)中使用材料的利用率，同時減少管道摩擦損失。且在作業(yè)時，預(yù)應(yīng)力筋使用靈活，同時也具有安全可靠等特點。通常情況下，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)擁有其他結(jié)構(gòu)鮮明的使用優(yōu)勢，如能針對具體結(jié)構(gòu)調(diào)換索。隨著研究的進一步深入及新材料的不斷投入使用，必定會為體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的不斷完善提供更好的條件，從而為橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的更好發(fā)展提供廣闊前景。