体外预应力加固设计

浅析体外预应力加固设计
摘要：对体外预应力加固中体外预应力索、锚固系统、转向装置三个方面在设计时应注意的一些问题进行了分析，并阐述作为主动加固的体外预应力加固技术的特点。

abstract： some issues should pay attention to in designing the external prestressed cable， anchor system， steering device of external prestressed reinforcement are analyzed and the characteristics of external prestressed reinforcement as active reinforcement are described.
关键词：旧桥加固；体外预应力；体外预应力索；锚固系统；转向装置；设计
key words： reinforcement of old bridge；external prestressed；external prestressed cable；anchoring system；steering device；design
中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）07-0088-02
0 引言
桥梁一般是公路中重要的咽喉工程，桥断路不通，随着时间的推移，新建的桥梁终究会成为旧桥。

公路桥梁长期在自然环境（大气腐蚀、温度、湿度变化）和使用环境（荷载的增加，使用频率加快、材料与结构疲劳）的作用下，逐渐会产生损坏且不可逆。

如果将所有旧危桥拆除重建，既不现实，也不科学。

适当地对旧桥进行
加固或拓宽，延长桥梁的使用寿命。

使旧桥能适应现代交通的需要。

可以恢复和提高旧桥的承载能力和通行能力。

对旧桥进行加固的方法很多（例如锚喷砼加固，贴钢法加固，外包砼加固等等），且各自适用于一定的条件。

体外预应力加固技术是种十分有效的加固方法，利用张拉体外预应力索产生的内力来抵消控制截面处的永久作用和可变作用是体外预应力加固桥梁的
原理，体外预应力加固技术是后张法预应力体系的重要分支之一。

相对于被动加固法的增大截面加固法，能大幅改善调整原有结构的受力情况，体外预应力加固梁身自重增加很少，提高承载力和抗裂性能，对桥墩及基础影响也很小，施工所需设备简单，人力投入少，施工期短，经济效益明显，可以做到不影响桥下净空且不增加桥面标高等特点，对原桥结构损坏小，同时在加固过程中可以实现不中断交通或短时限制交通。

体外预应力索、锚固系统、转向装置和附属构造（减震装置和定位装置）四部分组成体外预应力系统。

1 体外预应力索
体外预应力钢筋（束）可由水平筋（束）和斜筋（束）组成，亦可由通长布置的钢丝束或钢绞线组成。

在加固中采用的体外预应力索一般应采用防腐性能可靠的产品，宜采用成品索，采用环氧涂层预应力钢材时，应检测涂层的质量及主要性能指标。

且宜具有可更换性。

1.1 体外预应力钢筋（束）的布置体外预应力钢筋（束）的线
形布置的线形有多种形式，为了满足旧桥加固后承载力的需要，一般采用折线形，梁的跨中部分体外束布置在腹板下缘处，满足正截面抗弯强度要求；在约离支座1/3l～1/4l处体外束向上弯起，并锚固在梁两端，满足梁的抗剪强度要求。

体外预应力钢筋（束）的布置应符合的“低锚位”与“高适应”加固原则。

体外预应力钢筋（束）的布置应尽可能靠近于结构的底端，体外预应力钢筋（束）布置的位置越靠下，结构的承载力就越大。

同时尽可能增大体外预应力钢筋（束）的锚固高度，处于低锚位的体外预应力钢筋（束）将能获得较大的承载力，使结构拥有良好的上拱度。

体外预应力钢筋（束）合理的布置，将能充分发挥出结构材料的力学性能。

1.2 体外预应力钢筋（束）面积估算体外预应力钢筋（束）的面积，一般先计算出旧桥的承载力或通过桥梁静评定旧桥的承载力，通常根据梁的控制截面的抗弯强度确定。

计算加固前后梁的承载力的差值，确定加固后梁所要达到的承载能力，根据现在桥梁所承受的作用，再根据此差值，按持久状况承载能力极限状态和正常使用状态初步估算体外预应力索的面积。

无论用承载能力极限状态还是正常极限状态对体外预应力索的面积进行估算。

式中总有一些参数需要凭经验确定，因而多用几种方法进行估算是必要的。

最后在多个估算结果中确定加固所需的合理的体外预应力筋用量。

在设计中选用的体外预应力筋截面面积不同，决定了加固后的
桥梁是全预应力混凝土结构还是部分预应力混凝土结构。

一般来说，体外施加的预加力不会使桥梁加固后在荷载作用下仍会开裂。

具有部分预应力a类构件的特点。

当然加固后的桥梁处于什么样应力状态，要根据具体的设计来确定。

1.3 体外预应力钢筋（束）预应力损失估算在整个体外预应力加固设计中是非常重要的一个环节，它能正确的估算体外预应力筋（束）的永存预应力，有必要对体外预应力损失的计算方法做特定的考虑。

主要由于体外预应力结构在结构体系、构造形式等方面与常规预应力结构有差别，体外预应力钢筋（束）预应力损失估算，就应该做好相应的测算工作。

从理论上理解，体外加固梁桥的预应力筋的应力损失属于后张的范畴，参照《公路桥梁加固设计规范》，体外预应力筋（束）的预应力损失计算中应考虑：体外预应力筋（束）转向和锚固构造管道中的摩擦损失σl1，锚具变形、预应力筋（束）回缩引起的预应力损失σl2，分批张拉引起的混凝土弹性压缩引起的预应力损失σl4，预应力筋（束）的松弛损失σl5。

这些不同损失的计算均可依照规范进行。

在计算σl1时应注意在体外预应力加固体系中预应力筋只在转向处与滑块或承托局部存在摩阻损失，其相应的摩阻损失在数值上也大大低于同等条件下的体内预应力混凝土结构，故此时由于体外预应力钢筋（束）施工存在的微小偏差所引起的附加应力损失也不能忽略。

目前这部分附加损失尚无法用具体的精确公式进行计算，
但根据试验资料，可近似取为3%（锚固端））左右。

由于体外加固体系中体外预应力筋可能裸露在空气中，并且与梁体砼无粘结，外界环境温度的变化可能会引起预应力筋发生应力损失。

因而还应考虑使用期间的温差损失σl3。

体外加固中，所用的预应力筋较少，同时桥梁加固施工中，分批张拉所引起的砼弹性压缩损失σl4可以近似为零，主要是由于张拉应力的读数是在梁体已发生压缩情况下测取的。

体外预应力筋加固结构的预应力损失要小得多，主要是与一般预应力砼结构相比。

根据这一特点，为避免预应力筋长期处于高应力状态，应适当降低体外预应力钢筋（束）的描下控制应力。

2 锚固系统
体外预应力加固对锚具具有巨大的依赖性，体外预应力索施加的预压应力完全依靠锚固点锚具保持，同时体外预应力索要承受比体内预应力筋更不利的动载并由此产生疲劳的问题，一旦锚具组件出现问题，其导致的后果是灾难性的。

所以体外预应力锚具必须提供比一般体内预应力锚具高得多的可靠性和安全性。

用于旧桥加固的体外预应力索锚固的锚具组件及与体外预应力索的适配性应该进行严格周密的计算和动、静载试验，以保安全。

为防止体外预应力索在施加张拉力的过程中，在锚固区产生很大的局部压应力，造成锚固区混凝土拉裂破坏，必须在锚固区内设置用以抵抗横向拉力的锚下钢筋，一般由螺旋筋、封闭箍筋或两者共同组成，使锚下钢筋与锚固区混凝土共同工作，承受劈裂应力和
控制局部裂缝，以满足结构的使用要求。

在锚固区的锚具下应采用预埋钢垫板，并应设置间接钢筋和附加钢筋。

体外预应力加固混凝土结构施工中最重要的工序是预应力筋的张拉。

张拉主要方式主要是通过千斤顶，因此设计的时候就要考虑到预应力筋的布置满足张拉端能够布置锚固块，布置千斤顶进行张拉。

同时锚固处的构造细节与钢筋布置应特别注意。

旧桥加固中必须保证锚具与混凝土结构之间相互隔断，可以更换的体外预应力锚固系统，因在旧桥加固中体外预应力索需要更换，不能用混凝土封闭，可以满足可更换的要求，因而钢索张拉后，锚具内使用防腐材料填密。

3 转向装置
转向装置是体外预应力体系重要组成部分，转向装置是体外预应力索除锚固系统外，在跨内与混凝土有联系的唯一构件，担负着体外预应力索转向的重要任务，是体外预应力混凝土结构中最重要、最关键的结构构造之一。

转向装置的作用是传递体外预应力索产生的水平和垂直横向力，限制体外预应力索束自由长度，调整体外预应力索偏心距。

通过合理布置转向装置可以调整体外预应力索线形，可改变结构抗弯、抗剪性能，使之受力更好。

转向装置由于受巨大的横向集中力及与预应力筋的摩擦作用，应力复杂。

一旦设计不合理、结构措施不当或体外预应力索定位不准确，将使转向装置受力不合理，并有可能引起体外预应力索局部
硬化或引起摩擦损失过大。

因而在设计时必须对转向装置进行抗拉、抗剪、抗裂及局部承压验算，并适当提高其安全系数。

4 结论
体外预应力加固旧桥，使一些旧桥用这种方式加固后，改善桥梁的运营状况。

由于这项技术在旧桥加固中的独特优势，对提高桥梁的承载能力效果是是十分明显的。

在设计中根据体外预应力体系在旧桥中加固的特点来进行合理的计算，是保证加固效果的重要的一环。

它是80年代应运而生的一项新技术。

参考文献：
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