体外预应力加固旧桥的方法和结构组成
随着我国社会主义事业的飞速发展，我国的道路交通状况也发生了翻天覆地的变化。在大规模高等级公路建设的同时，大量的旧有公路的改造工作也摆在了我们面前。据调查分析，全国的国道、省道和县级公路的永久性大、中性桥梁中，设计荷载达到汽车—20级、挂车—100标准的仅占大、中型桥梁总数的6.53%.随着公路等级的提高，这些低等级桥梁是不能满足承载力要求的。由于受资金和材料资源的限制，这些低等级桥梁是不可能全部拆除并新建，只能投资较少的资金进行加固。我国公路桥梁界的广大工程技术人员对旧桥加固技术进行了大量的研究工作，并提出了许多切实可行的加固方法，例如：加厚桥面铺装层，加焊主筋，增设主梁以及改变桥梁结构体系等。这些技术各自适用于一定的条件和结构，但就钢筋混凝土简支T梁和微弯板组合梁这两种最常用的结构而言，采用体外预应力技术进行加固是一种简单易行且行之有效的方法。用体外预应力加固的方法很多而且效果也很好，下面简要介绍几种常见的体外预应力的加固形式。
1.1 钢拉杆横向收紧加固
如图1所示：这种加固方式为用钢拉杆横向收紧的方法施加体外预应力。在梁的底面以下设置4Φ25mm的16锰钢筋，分两排布置。拉杆在距梁端L/6处用撑棍将拉杆在平面上撑开，在纵向沿梁的外侧弯起，并通过支点锚固于梁端。水平段拉杆用水平撑棍分为4段，在每段中点用拉紧螺栓将两排拉杆收紧。受紧过程中拉杆伸长即产生预应力。这种加固方式使原桥恒载挠度基本消除，且略有反拱。加固后的静载试验表明，在原设计荷载作用下，挠度和裂缝宽度均有减少。
图1 钢拉杆横向收紧加固构造图式 （单位：cm）
1.2 钢拉杆加固
如图2所示：这种加固方式为在每片梁底设2Φ34mm的45号钢制作的钢拉杆。拉杆在梁底距支点L/6处转折并于梁体外侧斜穿端横梁，锚固于粘贴在梁端上部的钢垫板上。通过对一系列用这种加固方式加固的桥的检测表明，梁的实测挠度小于理论计算值，但残余变形仍然很大。原裂缝宽度略有减少且无新裂缝出现。实践表明这种加固方式效果良好。 1.3 水平筋、斜筋加固
如图3所示：这种加固方式，水平筋和斜筋分别采用2Φ28mm和2Φ32mm的高强精轧螺纹钢筋，两者通过钢制滑块相连接，斜筋的上端锚固在梁顶。加固方式如图所示：通过对用这种加固方式加固的桥的外观检查和静载实验表明：加固后，原梁裂缝宽度明显减少。桥面平整，新、旧主梁间连接良好，刚度明显提高。全桥整体工作性能好，实测各梁挠度值均小于规范容许值。实测结果表明，在设计荷载作用下，体外索水平筋中的实测应力增量与理论值吻合良好。本课题主要以这种体外预应力加固方式为重点进行分析。
图2 钢拉杆加固构造图式
图3 水平筋、斜筋加固构造图式
2 体外预应力加固体系的构造
2.1 水平筋
水平筋也叫水平拉杆，多由高强螺纹粗钢筋、钢丝束或钢丝绳组成。其作用是在梁底部位施加纵向预应力，从而对梁体产生反向弯矩，以抵消部分自重及活载产生的正弯矩，提高梁的承载能力。当水平筋采用高强粗钢筋时，一般为冷拉III，IV级钢筋，亦可用45号圆钢制作。在钢筋（杆）的两端做粗制螺纹，配以螺母加以锚固。当采用高强钢丝束时（通常不设斜筋），用锚头将其两端锚固在梁顶的端部。钢丝束的纵向线形由设在梁底两侧的箍筋加以固定。当采用钢丝绳时，可直接用锚固锁将两端固定在主梁的腹板上，张拉后用钢丝夹头锁住，也可将钢丝绳的两端锚固在梁底的滑块上。
2.2 斜筋
斜筋也叫斜杆，多由高强粗钢筋或槽钢做成。斜杆的下端通过设置在梁底的滑块与水平筋连接，上端锚固于梁端顶部或梁端腹板处。斜杆的作用是提供梁端部位的负弯矩和预剪力，从而提高梁的承载能力。当采用钢丝束或钢丝绳时，可以不单独设斜筋，而将斜筋和水平筋一体相连。
2.3 体外预应力的锚固系统
体外预应力索的锚固体系一般可以分成可更换的和不可更换的两大类。若采用不可更换的体外预应力索的锚具，则钢索将不更换、不调整，一般应用于体外预应力索与混凝土结构有离散粘结的桥梁结构。可以更换的体外预应力锚固系统必须保证锚具与混凝土结构之间相互隔断，对于体外预应力混凝土结构而言，关键在于锚固位置及转向结构处。在可以更换的体外预应力锚具中，包括钢索无法放松和可以放松两种类型。前者在钢索张拉后不预留能够再次张拉的长度，钢索在张拉后无法放松，使用这种类型锚具的体外预应力索既可以是普通的钢绞线，也可以是单根无粘结钢绞线。使用普通钢绞线时，在管道中灌注非刚性灌浆材料（油脂或石蜡）；使用无粘结钢绞线时，管道中一般灌注水泥浆。但是，无论采用何种钢索，锚具内均使用防腐材料填密而不用水泥浆。以满足可更换的要求。对于用体外预应力加固旧桥的体系而言，采用的是可更换的体系。根据斜筋提供的预剪力和负弯矩的大小可分为以下几种锚固方式：
2.3.1 梁顶锚固
对交通量较小的桥梁，有可能短期限制交通或当桥下作业难度较大时，可将斜筋的上端锚固在桥面板顶面或梁端顶面上角处。对于锚固在桥面板顶面的情况，首先在桥面板和端横梁上开凿与斜筋倾斜方向相同的斜孔，穿进斜筋后，在斜孔周围，按钢垫板尺寸将桥面板凿成凹槽，用环氧砂浆将钢垫板粘牢。斜筋张拉后，通过楔形垫块，用螺母将斜筋锚固在桥面板上。最后将锚头用桥面铺装混凝土封闭。对锚固在梁端顶面的情况，首先将梁端部分混凝土桥面板凿掉，将梁端顶面上角凿成与斜筋倾斜方向相垂直的斜面（需剪断架立钢筋和部分箍筋），在端横隔板上开凿与斜筋倾斜方向相同的斜孔，然后，将用角钢或槽钢制作的支撑垫座用环氧砂浆固定在已凿好的梁端斜面上。斜筋穿过横隔梁和支撑垫板的斜孔，用千斤顶进行张拉并用螺母锚固在支撑垫板上，最后用混凝土将锚头封闭。
2.3.2 腹板锚固
当桥上交通量很大难以中断交通，且桥下便于施工作业时，可将斜筋的上端设在主梁的腹板上。具体做法又可分为以下三种：
1、钢销锚固
当斜筋采用钢丝绳或型钢时，采用钢销锚固是方便的。钢销锚固是将钢丝绳（或型钢）端头做成扣环（或圆孔），套在穿过梁腹板的钢销的端头，通过钢销的抗剪、抗弯和承压作用来锚固斜筋。钢销的直径应根据钢销受力情况和材料强度，按计算确定。钢销两端伸出梁腹板的长度，应满足设置钢丝绳扣环和固定螺母的构造要求。为了穿过钢销，首先应在梁的腹板上穿孔，设置钢套管。钢套管的内径应比钢销直径大1~2mm，钢套管壁厚为5~10mm.腹板钻孔直径，应比钢套管外径大10~12mm.钢套管用环氧砂浆固定。在埋设钢套管时，一定要保证钢套管的轴线垂直于梁的腹板平面，以避免腹板两侧的体外索受力不均匀。
2、摩擦—粘着锚固
摩擦—粘着锚固是通过用高强螺栓固定在梁腹板上的锚固装置来锚固斜筋。其锚固作用是通过高强螺栓的摩擦力和环氧砂浆的粘结力来保证的。该锚固装置是由M20~M22高强螺栓组件、钢丝网环氧树脂砂浆粘结层和锚固钢板组成。高强螺栓组件中包括高强螺栓、高强螺母及垫圈。这三种零件均由45号钢经热处理制成。其主要作用是以高强螺栓的预拉力将锚固板、粘结层和梁体夹紧，以夹紧力产生的摩擦力来传递预应力。钢丝网环氧树脂砂浆粘结层的作用是将锚固板和梁体粘在一起，与高强螺栓所产生的摩擦力一起传递预应力。同时对高强螺栓孔所引起的梁体削弱给以补强，并兼起垫层作用。实验表明，摩擦—粘着型锚固具有锚固力大、传力均匀、对梁体损伤小的优点，但用钢量相对较大。
3、梁端锚固
当采用横向夹紧施加预应力的工艺时，可采用梁端锚固。该方法是将U型锚固钢板套在梁端腹板的下部，将斜筋的顶端焊在钢板上，以U型锚固钢板下混凝土的局压强度及粗钢筋与钢板的焊接强度来提供锚固作用。
2.4 体外预应力的传力系统
2.4.1 滑块
滑块又称竖向支撑。当斜筋和水平筋非同一根钢筋时，用滑块将其连接为一体。滑块的基本作用是完成斜筋和水平筋之间力的传递，固定折点位置并将斜筋的竖向分力传于梁底，并与上锚固点的竖向力一起产生作用与梁端部的负弯矩和负剪力，从而提高梁的承载力。根据构造形式可将滑块分类为水平滑块和楔形滑块。
1、水平滑块
水平滑块由连接斜筋和水平筋的活动滑块支撑座和固定在梁底的支撑钢垫板组成。滑块或支撑座为钢铸件，亦可采用厚钢板焊接而成。支撑座上设有连接斜筋和水平筋的肋板。为了增强滑块的滑动能力，可在支撑座顶面粘贴一层四氟乙烯薄板。支撑钢垫板用环氧砂浆垫层粘贴于梁的底面，为了增强梁底的局部抗压强度，可在环氧砂浆垫层中设置钢丝网。支撑钢垫板的纵向尺寸，应大于活动滑块支撑座的纵向尺寸，以满足支撑座纵向滑动的需要。为了减少滑块的摩阻力，可在支撑钢垫板表面加一层不锈钢板。
水平滑块的主要功能是通过滑块的水平滑动，以调整斜筋与水平筋之间的内力分配比例，并使表面受力趋于均匀。当在梁底水平筋上施加预应力或外荷载使梁体发生弯曲时，均会使水平筋内力增加，此时滑块将向跨中方向滑动。而这种滑动的结果恰恰会使斜筋内力增加，水平筋内力减少，从而使两者受力趋于均匀。当在梁顶面张拉斜筋上端时，斜筋受力很大，此时滑块将向梁端方向滑动，并带动水平筋受力。直到斜筋和水平筋之间的内力达到某种平衡时，滑块停止滑动而处于平衡状态。
2、楔形滑块
当斜筋采用型钢时，可利用横隔梁的底面作为竖向支撑，通过与型钢的下端固结的楔形滑块连接水平筋。楔形滑块一般用钢件焊接，亦可用混凝土浇制。为了减少滑块的摩擦力，可在滑块的斜面（滑动面）加一层四氟乙烯板或不锈钢板。楔形滑块的作用与水平滑块相同，但有如下两个特点：⑴楔形滑块与斜杆作成一体，用钢件焊接或用混凝土浇筑而成。⑵楔形滑块是沿着楔形体的斜面滑动的，因此其水平滑动量较水平滑块要小。
2.4.2 U形承托当采用型%考试考试网%钢作为斜杆时，或以一根钢丝绳取代斜筋和水平筋时，常利用距离梁端的第二个横隔板作为竖向支撑，并兼作斜筋和水平筋的转折点。在此情况下，为减少横隔板底部的摩擦力，从而减少横隔板的弯曲作用，在横隔板的底部设置U形承托。U形承托可用钢板弯制而成，套在横隔板的底面，并用环氧砂浆和锚固螺栓固定在横隔板上。
2.4.3 水平筋固定支座
水平预应力筋固定支座用A3钢板及钢管焊接而成，并用螺栓和环氧砂浆固定在梁的底面上。水平筋固定支座的作用是减少水平筋的自由长度，从而起到水平筋的减振作用。该装置对于跨径较大的体外索加固系统尤为重要。
2.5 结论
体外预应力加固旧桥是80年代应运而生的一项新技术，由于这项技术在旧桥加固中的独特优势，使一些旧桥用这种方式加固后，承载能力提高的效果非常明显。现已成为旧桥加固中最积极有效的方法之一，具有很好的应用前景。而且我国广大技术工作者在旧桥加固实践中已具有了较高的技术水平并积累了丰富的实践经验。这些为我们进一步的理论研究提供了依据。
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