当前, 大量已建成的中小跨径公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁, 由于当时设计的交通速度和荷载等级较低, 加上数十年的使用过程中造成的结构损伤和设计的缺陷, 例如对温差、徐变和收缩影响的估计偏低等, 因此荷载等级不足以成为现代交通中一个严重的问题。在旧桥加固方法中, 体外预应力加固方法已成为最积极有效的方法之一。
1 体外预应力的优缺点
在施工速度、施工费用、对施工质量的把握以及将来对桥梁的管理和维护方面, 在许多条件下体外预应力混凝土具有体内预应力混凝土难以相比的优势, 如: (1) 施工方便。体外索套管的布置和调整容易、梁的浇注简单及节段施工法的应用大大缩短了施工工期。 (2) 减轻自重。由于腹板厚度通常由施工的方便性决定而不是由强度的需要而定, 因此在体外预应力桥梁中由于预留管道的减少相应的腹板厚度可大大减小。 (3) 维修方便。体外索布置在混凝土截面的外面, 在使用期间可方便地测试体外索的性能及变形程度, 并根据其状态决定是否需要张拉或更换体外索。 (4) 体外索仅在锚固区和转向块处与结构相连, 摩阻损失明显减少, 提高了预应力的效率。尽管如此, 体外预应力混凝土结构亦有其自身的缺陷, 如: (1) 防腐蚀、防火性能差。这也是体外预应力混凝土长期以来没有得到充分发展的原因。 (2) 由于体外索只通过两端的锚固区与转向块与梁相连, 需要对这些关键部位进行特殊的设计。 (3) 对于体外索, 锚头失效则意味着预应力的丧失, 应对锚头进行严格的防腐措施。 (4) 极限状态下体外预应力梁的抗弯能力小于有粘结梁, 并且可能因延性不足而产生没有预兆的失效。
2 体外预应力混凝土结构的组成
2.1 体外预应力索、管道
体外预应力索体外预应力索的选用应根据结构类型 (如混凝土结构、钢结构、临时结构、永久结构等) 结构重要性等级及结构所处环境的腐蚀强度等因素决定。体外预应力索一般由钢绞线束和管道组成。当结构处于严重侵蚀性的恶劣环境中时, 可以采用外包PE防护的单根无粘结环氧涂层钢绞线, 以得到最大限度的耐腐蚀能力。与其它类型的钢绞线相比, 该类钢绞线具有比较大的外径。体外索的套管主要是防止钢索不受损害和腐蚀, 其材料应具备下列性质: (1) 有足够的强度抵抗在制造、运输、安装、灌注混凝土及张拉时可能受到的损害。 (2) 在预应力筋的全长应连续, 具有较好的密封性, 起到防潮、防杂质作用。 (3) 在使用期内的化学稳定性好, 有良好的抗低温、抗高温、抗蠕变、抗老化性能。
2.2 体外预应力索的锚固系统
体外索主要锚固在横梁或横隔板上, 个别锚固在腹板与顶板或底板内角处的凸块上, 锚固横梁的特点是既是三边支承的深梁, 也是局部承压的锚固块, 通过深梁与局部承压的共同作用, 将锚固力传递至箱梁腹板、顶板和底板。锚固凸块主要是局部承压, 并通过类似牛腿的作用将锚固力传递至与其连接的箱梁板壁。体外预应力结构中的锚具是整个结构中的最关键部位, 与有粘结体内束全长范围均能提供粘结力相比, 体外预应力索仅在有限的转向点及锚固处与结构相连接, 体外预应力结构中预加力完全靠锚具传递给结构, 对锚具有很大的依赖性。锚具一旦失效, 将对结构造成十分严重的后果。
2.3 体外预应力索的的转向装置
体外索的转向装置是体外预应力结构满足受力要求的必要措施, 是体外索除锚固端外在跨内与梁体联系的特殊构造。由转向结构构造 (转向块) 和转向器组成。体外预应力混凝土结构中, 转向块是体外力筋在跨径内保持设计的形状并可靠的传递索力垂直分力的重要部件, 它是除锚固结构外, 体外预应力筋在跨内唯一与混凝土有联系的构件, 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。转向器为直接支承体外索的器件。是预埋在转向装置内的弯曲弯管, 作用是为体外索转向提供通道。转向弯管必须牢固而精确地定位, 并与梁体钢筋联接在一起。
2.4 体外预应力索的的防腐系统
在实际应用时, 体外索防腐方法的选用应综合考虑以下几个因素:环境条件、索是否需要重新再张拉或更换、结构类型、结构的重要性和经济性。恶劣环境如海洋大气、工业区污染大气等要求采用第二或第三种防腐措施, 而干燥的无腐蚀环境可以采用第一种防腐措施。若采用易检查更换的体外预应力筋, 预应力筋防腐等级可选用较低等级;若采用不可更换的体外预应力筋, 考虑到长效防腐, 钢束的防腐等级可选用较高等级。
3 体外预应力技术在混凝土桥梁建设中的应用
3.1 体外预应力施工
在小心翼翼在将所有体外预应力索安装好后, 张拉是关键性的工作。预应力张拉一般采用专用的油压千斤顶, 主要通过控制千斤顶内油压值, 控制并计算出实际张拉力。张拉施工尽可能地保证两端对称张拉, 以减小不对称张拉带来的摩阻力损失。应尽可能地采用双控, 或是配备必要的测力仪器, 以保证永存预应力的值在设计要求范围内。体外预应力张拉方法和原理与普通预应力张拉是相同的, 只是根据预应力材料自有防腐方式不同, 而有一些特别之处。在张拉前, 要对防护层进行剥离, 清洗防护油脂, 对钢丝材料本体上的防护进行有效去除, 以保证锚固有效。即按下列顺序进行:两端防护套剥除、清洗、去除防护物、张拉、锚固。
3.2 体外预应力防护
(1) 体外预应力索防腐。目前, 体外预应力索的防腐主要采取套管加填充材料防腐。这种防腐系统的套管可以是钢套管、塑料套管或钢管加强的塑料套管、不锈钢或铜皮包装材料等。钢管强度高, 保护钢绞线或钢丝能力强, 但本身存在防腐问题。塑料套管一般采用聚乙烯套管, 也可采用聚炳烯套管。塑料套管的耐腐蚀性强, 但存在老化开裂问题。 (2) 转向块防护。转向块的混凝土结构应进行局部承压设计, 以使转向块能够承担体外预应力筋传来的横向和竖向集中力, 保证不致因为内部微裂缝影响耐久性;严格控制施工质量, 以保证转向块处混凝土的密实性和强度;应保证转向器混凝土保护层的厚度。 (3) 锚具防护。锚具必须有充分的防锈和防火保护措施, 锚具的形式繁多, 常用的锚具有:锥形锚、墩头锚、螺纹锚、楔片锚、冷 (热) 铸锚、压接锚等。采用何种类型的锚应考虑其应具有的功能, 如可否更换索、可否调整索力等等。
4 结语
总之, 体外预应力则满足运营期间桥梁整体的强度和刚度要求。预应力施工中, 张拉是关键。另外就是要注意体外预应力防护, 体外预应力技术特别适合于混凝土梁桥加固, 该技术具有提高旧桥的承载力较明显、不中断或不限制交通、不影响桥下净空、施工周期短、成本低廉等突出优点, 在我国既有桥梁结构的加固应用中前景广阔。
摘要：对病害混凝土桥梁的整治加固以及提高承载能力, 己经成为桥梁工程的重要课题之一。体外预应力现阶段主要应用于预应力混凝土桥梁重建、加固及维修;论文首先概括了体外预应力技术的优点及缺点, 阐述了体外预应力结构体系的组成, 最后重点探讨了体外预应力技术在混凝土桥梁建设中的应用及质量控制。
关键词：体外预应力,桥梁,加固
参考文献
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