公路桥梁常用预应力加固技术及其特点

杜玉

摘要：预应力技术不但加快了土木工程业的发展，同时也为公路、桥梁加固提供了一种有效的、主动的、便捷的方法。预应力技术是当前发展较快、应用较广的一种加固补修技术。与传统的路桥施工技术措施相比，预应力技术虽然起步较晚，但其发展却异常迅速，近年来路桥施工中还越来越多地应用到了体外预应力加固法，相信其应用前景还会与日俱增。
关键词:公路桥梁预应力加固技术特点
中图分类号： U448.14 文献标识码：A 文章编号：
Abstract: not only the prestressed technique to speed up the development of civil engineering, but also for the highway, bridge reinforcement provides an effective, active, and convenient method. Prestressed technique is the rapid development, are widely used a repeat of reinforcement technology. And the traditional road &bridge construction technical approaches, prestressed technique although started late, but its development is exceptionally rapid, road &bridge construction in recent years more and more application in the external prestressing consolidation method, believe that the application prospect will still growing.
Key words: the highway bridge prestressed strengthening technical characteristics

引言
随着我国经济的飞速发展，公路桥梁的建设也发生着日新月异的变化。由于桥梁的造价较为昂贵，所以在桥梁的建设过程中，人们总是想方设法采取各种措施来确保工程的质量。但是尽管如此，由于桥梁长期在使用环境(结构与材料的疲劳、荷载频率与作用的增加)和自然环境(温度、湿度变化、大气腐蚀)的作用下，始终会逐渐地产生不可逆转的损坏现象。因此，桥梁技术中的加固措施就成为了公路桥梁工程中备受关注的课题。而与传统的路桥施工技术措施相比，预应力技术虽然起步较晚，但其发展却异常迅速。预应力技术措施不仅应用于公路桥梁的结构，而且近年来公路桥梁施工中还越来越多地应用到了预应力加固法，相信其应用前景还会与日俱增。
1、公路桥梁常用预应力加固技术的特点分析
在公路桥梁施工中，预应力加固法主要被用于包括连续体系梁、悬臂梁、简支梁桥等在内的梁式桥在其正常使用极限状态出现超限情况下的的结构加固。而通过对于已建路桥来进行预应力加固，不但可以达到降低或者消除裂缝的目的，还有助于减小梁体的挠度，并且使结构各个截面的应力状态都可以得到有效改善。另外，采用预应力技术来对公路路桥结构进行加固时还有很多的优点：第一，在施工过程中，可以不使交通中断或者是仅仅需要在短时间内进行交通限制，所以对于路桥桥上的交通影响非常小；第二，其所需要的人员、设备较少，且布置简单并可以调整，经济效益良好，施工周期也较短；第三，有利于维护修补，而且能够随时对预应力筋进行更换；第四，因为此方法所增加的恒荷载不多，所以可以通过对原结构当中的应力情况进行能动地调节，来达到有效加固路桥结构的目的；第五，预应力加固法还可以做到不影响其桥下净室，而且无需抬高路桥表面的标高，对路桥的损伤也非常小；第六，其还可以较大幅度地对已建路桥的结构刚度和承载能力进行有效的提高，并且能够对原结构的挠度和裂缝进行有效的控制，从而使裂缝能够得到部分甚至全部的闭合，并使挠度得到大幅度降低。第七，预应力技术不仅能够被用在加固中小跨度、简支结构体系的路桥结构当中，还可以被用在加固大中跨度、连续体系的路桥结构。
2、混凝土桥梁加固所面临的问题及对策耐
2.1混凝土桥梁加固所面临的主要问题
混凝土桥梁加固主要面临着耐久性缺乏的问题，主要表现在以下几个方面：
一是混凝土桥梁的耐久性一般在20 年以上的，极其容易出现大面积的破裂、脱落、老化，钢筋受到的锈蚀程度严重，使桥梁受到严重的损坏；二是受到严重损坏的桥梁，其本身具有的稳定性、牢固性、安全性大大降低，严重威胁到公路桥梁交通的安全；三是维护混凝土桥梁的耐久性，进行加固施工，需要花费大量的资金。
2.2提高混凝土桥梁耐久性的对策
提高混凝土桥梁的耐久性，是公路桥梁加固的重要技术之一，其主要方式有两个，一是选用高性能、高品质的混凝土，相方设法提高混凝土的匀质性、密实性、抗渗性和耐冻性，从而达到提高混凝土抵抗冷冻侵蚀和碳化的能力；二是对既有桥梁所存在的缺陷进行加固改造施工，提高桥梁的耐久性，达到延长混凝土桥梁使用寿命的目的。
3、桥梁加固
桥梁加固改造是运用有效可行的技术手段对桥梁结构物进行补强加固及拓宽，其根本目的是恢复和提高其承载能力及耐久性。目前，常用的桥梁加固方法很多，从大的方面划分可分为上部结构补强加固和下部结构补强加固。桥梁上部结构补强加固方法又分为改变结构受力体系方法和不改变结构受力体系方法两类。从后加补强材料是否具备预应力及基本受力原理来看，桥梁上部加固又可划分为两大类，即主动加固和被动加固。
3．1桥梁主动加固原理
在受拉区(或抗剪薄弱区)直接增设补强材料，例如：补焊钢筋、粘贴钢板、粘贴高强复合纤维材料(碳纤维、芳纶纤维)等。这种加固方法从作用原理上讲，属于被动加固范畴。实际上设计时必须考虑带载加固及分阶段受力特点，构件自重及恒载由原梁承担；活载由加固后的组合截面承担，后加补强材料强度发挥程度受原梁变形的限制。
3．2桥梁被动加固原理
为解决后加补强材料“应变滞后”，提高后加补强材料利用率，对后加补强材料施加预应力，采用预加力原理进行加固补强。从作用原理上讲预应力加固属于主动加固范畴。后加补强材料主动受力，由于预加力的作用，改善了原梁的应力状态，以达到提高原梁承载力和抗裂性的目的。目前，桥梁结构中采用的预应力加固体系主要有三种：即体外预应力加固体系、高强复合纤维预应力加固体系、有粘结预应力加固体系。
4、公路桥梁中常见的应预力加固技术及其特点分析
目前，公路桥梁结构中常用的预应力是三种加固体系主：即有粘结预应力加固体系、体外预应力加固体系、高强复合纤维预应力加固体系、
4.1有粘结预应力加固体系
4.1.1作用原理
利用锚固于被加固梁体上的小直径预应力筋，对梁体施加预应力，然后喷注具有较高抗拉强度的复合砂浆，将预应力筋与被加固梁体粘结为一体，构成有粘结预应力加固体系。有粘结预应力加固体系以其预应力筋锚固简单、张拉施工方便、结构耐久性好，材料利用效率高的技术优势受到国内外土木工程界的重视。
4.1.2技术特点
与体外预应力加固体系相比有粘结预应力加固体系的突出优点是：一是能最大限度的发挥后加补强材料的作用，提高材料的利用效率；二是喷注的高性能抗拉复合砂浆保护层。抗碳化和抗氯离子侵蚀能力强，保护钢筋免于锈蚀，提高结构耐久性，延长结构使用寿命；三是靠小型锚具和高性能抗拉复合砂浆粘结的双重作用锚固预应力钢筋，锚固工作更为安全可靠。
4.2体外预应力加固体系
4.2.1发展背景
上个世纪70 年代，交通运输开始出现了较快的发展。随着交通运输的发展，公路桥梁的加固改造引起了世界各国的广泛关注，很多国家专门开展了旧桥加固研究，在一些国家，采用体外预应力技术进行桥梁加固处理，使原桥的荷载等级大大提高，获得了显著的经济成效。90 年代以后，体外预应力加固技术得到了较快的发展。
4.2.2作用原理
一是体外预应力加固是指在梁体的外部（或箱内）安装上具有防腐保护作用的预应力筋，梁体受到施加的预应力，部分外荷产生的力会被预加力产生的反弯矩所抵消从而达到改善桥梁使用性能和提高桥梁承载性能的目的；二是作为目前常用的加固方法之一，体外预应力的适用对象为：大跨径预应力混凝土连续T构箱梁桥和连续箱梁的加固；三是体外预应力筋锚固定在梁中间或中间的横隔梁上，跨间调整预应力筋角度的是转向块，非常适宜梁的受力要求；三是严格来讲，体内无粘结预应力、体外预应力，均是无粘结预应力结构。无粘结预应力结构理论分析的核心问题是预应力钢柬在各受力阶段的应力增量计算问题。
4.2.3技术特点
与一般预应力混凝土的结构特点相比较而言，体外预应力混凝土结构主要具有以下优点：一是体外预应力的钢筋既可以设计成不需要更换的，也可以设计成能够更换、补拉的；二是可以更换的体外应力钢筋，具有便于维修、养护和加固的特点；三是用体外预应力技术实施旧桥加固，其桥梁构造简单，使施工方便易行。四是大大减小了钢筋柬的摩阻损失，提高了预应力筋的利用效率，力筋应力的变化幅值较小，有利于桥体抗击疲劳；五是体外预应力加固技术在我国混凝土桥梁加固改造中的推广应用，为混凝土耐久性问题的解决提供了可能技术支撑，大大提高了桥梁的耐久性，使桥梁的使用寿命也得到了很好的延长。例补拉一次或换一次索，可延长其的使用寿命20 年，大大降低了桥梁加固及养护的管理成本，亦有利于桥梁加固管理工作的长期发展。
4.3高强复合纤维预应力加固体系
目前，碳纤维和芳伦纤维是工程上应用得最为广泛的高强复合纤维。在桥梁预应力加固技术中，与芳伦纤维比较而言，碳纤维材料应用得更为广泛，技术更加成熟，故本文主要介绍碳纤维预应力加固技术。
4.3.1作用原理
为了达到增强公路桥梁加固的效果，提高碳纤维材料的有效使用率，施加预应力给碳纤维材料是一种有效的办法。碳纤维预应力加固的作用原理为，利用锚固粘贴于被加固梁体上的碳纤维布条（或板条）对梁体施加预应力，使加固梁的受力状态得到相应的改善。这种技术的关键是解决预应力纤维布（或板）的张拉、锚固的问题，使其适应于桥梁现场施工的要求。
4.3.2技术特点
一是高强高效。由于FRP 优异的物理力学性能，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的；二是线膨胀系数与混凝土接近，保证了温度变化时，FR 与混凝土可以协同工作；三是施工便捷、工效高、没有湿作业，不需大型施工机具，施工占地少，施工效率高。据有关资料统计，粘贴FRP 是粘贴钢板施工工效的4～8 倍。FRP 轻质柔软，易贴附，与粘贴钢板相比其施工质量更易保证；三是不增加构件的自重和体积。FRP 质量轻且厚度很薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重和尺寸，也就不会减少建筑物的使用空间；四是具有很好的耐腐蚀性和耐久性能。五是适用面广。可广泛用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固修补，且不改变结构形状及不影响结构外观，这是目前任何一种结构加固方法都不可比拟的。
5、公路桥梁体外预应力加固技术施工要点
5.1、锚固支座及滑块垫板位置的定位放样
沿着路桥主梁底部从其锚固的实际中心点向着跨中的方向来量取其滑块垫板的跨中位置及中心位置，并分别标记在路桥主梁底部的两侧，然后再将其垫板平面的尺寸标记在主梁底面上，并标出相关的螺栓孔位。值得注意的是在垫板的放样过程中可以不考虑主梁挠度所造成的影响。
5.2、预应力筋的制作及施工准备
应采用机械切割工艺，而严禁电弧切割。按照下好料的钢绞线，在下端头分别按照设计锚固段的中心每隔3m处进行承载体的安装。注浆管的安装应满足设计的要求。不仅要具有足够的强度，还要保证在注浆施工中的顺利注浆，不破损拉断、爆管或堵塞。为了顺利下锚，在完成预应力加固体的紧箍环和隔离支架的组装后，应在加固体的底端采用绑扎的方式来接装导向帽，而不宜进行焊接。
5.3、预应力筋的安装和张拉
预埋阶段主要是预应力筋曲线形状的控制，即保证各控制点的标高定位准确、牢固，其他工序不会影响和破坏波纹管，保证标高控制点阵和曲线形状的正确，当其他工序与预应力筋预埋发生矛盾时及时处理。张拉阶段主要是保证张拉应力能够达到设计要求，其伸长值变化在设计和规范的允许范围之内。灌浆阶段主要是保证灌浆计量准确，且孔道浆体饱满。
5.4、压浆
在施工过程中必须严格控制用水量，对于未能及时使用而流动性能降低的水泥浆，严禁通过加水的方法来提高其流动性；在浆体搅拌时，水泥、外加剂和水的用量都要严格控制；搅拌机内的浆体应每次都全部卸尽，不得采取一边出料一边进料的方法；若在压浆前发现管道内残留有脏物或水分，则必须使用空压机将残留在管道内的脏物或水分清除。
结束语
总的来说，预应力加固技术是公路桥梁加固改造的重要方法之一。随着社会的发展，人们对公路桥梁预应力加固技术的要求将越来越高，我们必须不断探究公路桥梁的预应力加固技术，创新工作方法，提高公路桥梁预应力技术水平，以适应社会发展的需要。
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