（水工结构工程专业论文）桥梁体外预应力加固的数值模拟.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导一f ，独立进行研究所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 刘萎敏 日期：d 年岁月西日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权! j 1 属郑州大学。根据郑州 大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论 文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署 名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：刘越氪之 日期：伽o 年，月谘日 摘要 摘要 随着经济的发展，交通量大幅度增加，行车密度及车辆载重也越来越大， 使得其中相当一部分原有设计标准较低的桥梁己经不能满足使用要求，桥梁的 病害和缺陷开始显现和发展，严重影响了其正常使用，阻碍了交通运输业的发 展。面对数量庞大的问题桥，不论从经济上还是从保障交通通畅上来讲，全部 重建都是不可行的，因此，研究具有优越性能的桥梁加固技术颇具重要的现实 意义。 体外预应力加固属于主动加固范畴，其突出的优点是其它被动加固方法不 可与之相比的。国内外对该技术从试验和理论方面做了不少研究，但有关数值 模拟却并不多见。本文首先采用理论分析的方法，对体外预应力加固混凝土梁 的加固机理、加固设计做了详尽的分析和研究。然后应用a n s y s 对体外预应力 加固过程进行了模拟计算，并分析了布索方式、有效预应力、加固时间对加固 效果的影响。 通过分析研究表明：采用体外预应力加固，加固后的结构抵抗变形能力显 著增强，刚度提高明显。承载能力极限状态下，可以显著地提高梁的极限承载 力。正常使用极限状态下，可以显著减小梁体挠度，从而改善其使用性能。设 置有转向装置的加固方式，可以有效降低二次效应对承载力的影响，加固效果 更好。随着张拉控制应力的增加，简支梁的加固效应也在逐步提升，但过大张 拉力容易造成锚固端及体外筋的高应力状态，对结构反而不利。随着加固时间 的推迟，加固后其开裂荷载及极限荷载在逐步减小，加固效应逐步降低。因此， 为延长结构的使用寿命，应对结构进行定时检测，及时发现问题，对结构进行 养护加固。 关键词：桥梁；体外预应力加固；数值模拟；a n s y s a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h et r a f f i cd e n s i t ya n dt h ev e h i c l el o a d i n c r e a s es u b s t a n t i a l l ya st h et r a f f i cv o l u m eg r o w s d i s e a s e sa n dd e f e c t so fb r i d g e s b e g i nt oa p p e a ra n dd e v e l o p ，w h i c hm a k e st h a tq u i t eap a r to ft h eo l db r i d g e so fl o w s t a n d a r d sc a nn o tm e e tt h en e e d so ft r a f f i ca n dh i n d e r st h ed e v e l o p m e n to f t r a n s p o r t a t i o n f a c i n gt ot h eh u g en u m b e rb r i d g e sw i t hp r o b l e m s ，i ti si n f e a s i b l et o r e c o n s t r u c tf r o mw h e t h e r e c o n o m i c a l l yo rg u a r a n t e e i n gs m o o t ht r a f f i c t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo f b e n e f i c i a lb r i d g er e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u e si so f p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e e x t e r n a lp r e s t r e s s i n gr e i n f o l r c e m e n tb e l o n g st ot h ei n i t i a t i v er e i n f o r c e m e n tf i e l d c o m p a r e dw i t ho t h e rp a s s i v er e i n f o r c e m e n tm e t h o d s ，i th a so u t s t a n d i n ga d v a n t a g e a l t h o u g hb o t h t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so i lt h et e c h n o l o g yc a nb ef o u n di n l i t e r a t u r e s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r ef e w i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , r e i n f o r c e m e n t m e c h a n i s ma n dd e s i g nb ye x t e r n a lp r e s t r e s s i n ga r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i s s e c o n d l y , e x t e r n a lp r e s t r e s s i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e db y a n s y s ，a n dt h er e i n f o r c e m e n te f f e c to fp r e - s t r e s s e dc a b l ea r r a n g e m e n t ，e f f e c t i v e p r e - s t r e s s e da n dr e i n f o r c e m e n tt i m ea r ea n a l y z e di nt h i sp a r t t h er e s u l t ss h o wt h a tr e s i s t a n c et od e f o r m a t i o ne n h a n c e ss i g n i f i c a n t l ya n d s t i f f n e s si n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l ya f t e re x t e r n a lp r e s t r e s s i n gr e i n f o r c e m e n t i nt h e u l t i m a t el i m i ts t a t e ，u l t i m a t el o a d i n gc a p a c i t yi ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e d i nt h el i m i t s t a t e ，b e a md e f l e c t i o nc a nb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，w h i c hi m p r o v e si t sp e r f o r m a n c e i ti sf o u n dt h a tb e t t e rr e i n f o r c e m e n te f f e c tc a l lb er e a c h e di fs e t t i n gas t e e r i n gs y s t e m w h i c hc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h es e c o n d - o r d e re f f e c t so nt h el o a d i n gc a p a c i t y a st h e t e n s i o ns t r e s si n c r e a s e st h er e i n f o r c i n ge f f e c t so fs i m p l es u p p o r t e db e a mg r a d u a l l y i m p r o v e ，b u tt o ol a r g et e n s i l ef o r c ec a nc a u s ea n c h o r a g e - s i d ea n db a ri nh i g h s t r e s s s t a t e ，w h i c hi sd i s a d v a n t a g e o u so nt h es t r u c t u r e w i t ht h er e i n f o r c e m e n tt i m ed e l a y s ， t h ec r a c k i n gl o a da n du l t i m a t el o a da r eg r a d u a l l yr e d u c e da f t e rr e i n f o r c e m e n t ，a n dt h e e f f e c to fr e i n f o r c e m e n ti sd e c r e a s e dg r a d u a l l y t h e r e f o r e ，i no r d e rt oe x t e n dt h e i i a b s t r a c t s e r v i c el i f eo ft h es t r u c 眦，i ts h o u l db et e s t e dr e g u l a r l y , w h i c hc a l ld i s c o v e rp r o b l e m s a n dd e a lw i t ht h e mt i m e l y k e yw o r d s ：b r i d g e ；e x t e r n a lp r e s t r e s s i n gr e i n f o r c e m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； a n s y s i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 体外预应力加固研究历程2 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状3 1 3 本课题研究的意义5 1 4 本课题的主要工作5 2 体外预应力加固技术7 2 1 体外预应力加固基本原理7 2 2 体外预应力加固体系构造组成【2 4 】【2 9 1 7 2 2 1 体外预应力索8 2 2 2 锚固系统8 2 2 3 传力系统1 0 2 2 4 防腐系统11 2 3 体外预应力加固方法1 2 2 4 体外预应力加固特点1 3 2 4 1 体外预应力筋的应力增最及二次效戍1 3 2 4 2 体外预应力加同技术优缺点。1 4 2 5 本章小结1 5 3 体外预应力加固体系计算16 口录 3 1 体外预应力加固体系力学分析1 6 3 1 i 加同体系的受力分析1 6 3 1 2 力法求解加吲体系内力1 9 3 1 3 虚功法求解加同体系内力。2 l 3 2 加固体系承载能力极限状态计算2 5 3 2 1 正截面抗弯承载力计算2 6 3 2 2 斜截面抗剪承载力计算2 8 3 3 加固体系正常使用极限状态计算3 0 3 3 1 体外索加固体系的预应力损失3 0 3 3 2 体外索加固体系抗裂验算。3 l 3 3 3 体外索加同体系挠度验算3 l 3 4 规范计算的缺陷3 3 3 5 本章小结3 3 4 体外预应力加固简支梁有限元分析3 4 4 1 概述3 4 4 2a n s y s 软件及材料模型3 4 4 2 1a n s y s 基本介绍3 4 4 2 2 定义单元类型3 5 4 2 3 非线性影响因素分析3 6 4 2 4 本构关系和破坏准则3 7 4 3 有限元模型的建立方法3 9 4 3 1 建立模型3 9 4 3 2 加载过程4 l 4 3 3 求解收敛问题4 l 4 4 钢筋混凝土梁破坏过程模拟4 2 4 5 钢筋混凝土梁加固过程模拟4 7 4 5 1 计算日的4 7 4 5 2 建立模魁4 7 v 日录 4 5 3 布索方式对加同效果的影响4 8 4 5 4 有效预应力对加蚓效果的影响5 3 4 5 5 加同时间对加同效果的影响5 7 4 5 5 受力过程分析6 l 4 6 本章小结6 4 5 结论与展望6 5 5 1 结论6 5 5 2 展望6 6 参考文献6 7 个人简历7l 致谢7l 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 改革开放以来，我国公路交通事业进入了持续、快速、健康发展的时期。 尤其是1 9 9 8 年以来，党中央、国务院做出了扩大内需、加快基础设施建设的重 大决策，公路建设趁势而上，促使桥梁建设进入了一个高速发展的辉煌时期。 桥梁和其他建筑物一样，其“生命周期 将经历建造、使用和老化三个阶 段。随着经济的发展，交通量大幅度增加，行车密度及车辆载重也越来越大， 且公路桥梁长期受腐蚀、温度变化、湿度变化等自然环境影响以及荷载增大、 频率增加、材料失效、结构疲劳等使用环境的影响，导致现有公路桥梁中相当 一部分原有设计标准较低的桥梁己经不能满足使用要求，严重影响到桥梁的正 常使用，阻碍了交通运输业的发展。 2 0 0 2 年2 月5 日，交通部、国家统计局联合发布第二次全国公路普查主要 数据公报。该公报数据显示：我国已建桥梁2 8 4 万座，其中定性为危桥的达9 5 7 9 座，有1 3 以上的桥梁存在结构性缺陷。面对数量如此巨大的旧危桥，维修加固 已成为当下亟待解决的问题【l 】。因此，研究具有优越性能的桥梁加固技术颇具重 要的现实意义。我们从下图亦可以看出我国对桥梁加固的关注度已经在逐年提 高，尤其是2 0 0 0 年以来，随着大量已建桥梁进入养护期，桥梁的维修加固课题 引起了工程界的更大关注，见图1 1 。 学术关童度( 1 9 - a 4 年一2 0 0 6 年) j j 一 9 j j _ lol l wz - 2 眄2 幽1 - 1 国内桥梁加蚓关注趋势 1 绪论 1 日危桥大量出现的问题不仅困扰着我国，国外亦是如此。据美国的一次公 路桥梁普查表明，存在结构性缺陷的桥梁占已建桥梁的4 0 。而德国在对某个 州的桥梁进行调查后，在1 5 0 0 座桥梁中存在不同程度功能性失效隐患的将近 5 0 t 2 】【3 】。旧危桥的特点是数量多、分布广、破坏程度不一，如何妥善处理这些 旧危桥已经成为一个棘手的问题。如果全部拆除重建，则耗资巨大，影响交通 通畅，而且社会与环境都将会为之付出高昂的代价，与当今低碳经济的发展模 式也是相违背的。业界普遍认为应当对桥梁的现状进行全面分析研究，进而有 选择的有针对性的处理这些1 日危桥。首先应该考虑对其维修加固，选择加固方 案并评价加固效果。如果加固效果不好方可考虑重建。因此现在很多国家都对 旧危桥梁竞相投入大量的人力、物力进行维修、加固与改造，在原有基础上恢 复或提高其设计承载能力。有些经济发达的国家，工程结构维修加固费用已经 达到或超过新建工程的投资，还有一部分国家把延长桥梁的使用年限、保障公 路建设的可持续发展作为一项基本国策，充分体现了对结构加固的重视程度。 1 2 体外预应力加固研究历程 体外预应力的概念和方法起源于法国，由e u g n e e f e r y s s i n e t 进行了首次应 用。1 9 3 6 年1 9 3 7 年，德国工程师f r a n zd i s c h i n g e r 设计了世界上第一座预应力 混凝土桥梁a u e 桥，并获得了体外预应力技术的专利【4 1 。该技术在工程中的 大量应用则开始于2 0 世纪7 0 年代末。当时，法国进行了大量的桥梁加固工程， 为体外预应力技术的发展提供了契机，并在这些采用该技术加固的桥梁工程中 积累了丰富的工程经验，为在新建桥梁时重新考虑使用体外预应力技术提供了 技术和理论依据。因此可以说，体外预应力技术是在结构加固工程的基础上发 展起来的。 体外预应力加固法属于主动加固范畴，而在工程中比较常用的加固方法比 如桥面板补强加固法、增加截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料 加固法等都属于被动加剧5 1 。被动加固显著的缺点是后加补强材料应变( 应力) 滞 后，使得其高抗拉性能很难发挥作用，因此将造成材料的浪费。而体外预应力加 固通过对后加补强材料施加预应力，构成预应力加固体系，解决了后加补强材 料应变( 应力) 滞后，提高后加补强材料的利用效率。因此体外预应力在旧桥加固中 有着广阔的发展前景和研究价值1 6 】1 7 。 2 1 绪论 1 2 1 国外研究现状 h i r o s h im u t s u y o s h i 和k a z u t e r ut s u c h i d a d 【8 】通过试验研究了不同参数对极限 状态下体外预应力筋应力增量的影响。这些参数包括体内普通钢筋的配筋率及 加载模式，并研究了由预应力筋偏心距的减小所引起的二次效应，最后提出了 体外预应力梁极限状态下预应力筋应力增量的计算公式。 k i a n g h w e et a nh 和c h e e - k h o o n n g 9 卜【1 0 】通过试验对6 片用体外预应力加 固的钢筋混凝土t 形梁进行研究，通过分析提出了体外预应力混凝土梁极限状 态下预应力筋应力增量的计算公式。之后，他们进一步通过拉、压杆模型模拟 了7 片跨中位置设置转向块的体外预应力加固的t 形梁，分析结果表明：此计 算模型对试验梁的破坏形式和极限强度的预测与试验对比具有良好的准确率和 精确度；2 0 0 1 年，k i a n h w e e t a n 等又一次通过实验对在跨中使用转向块的体外 预应力加固的简支梁进行了研究，试验表明：在跨中使用转向块能够有效降低 在活载作用下产生的二次效应。 m h a r a j l i 等【i l 】基于增量变形法，编制程序对体外预应力混凝土梁的非线性 力学行为进行研究，并通过改变预应力大小、转向块的设置等不同参数，分析 体外筋对体外梁体强度和变形的影响。研究发现：体外预应力对抗弯构件加固 效果明显，如果选择合适的体外预应力筋，则能够有效地减小构件的挠度和裂 缝宽度。 g h a l l a b 等【1 2 】研究了不同类型荷载作用下体外预应力筋的应力增量，并提出 了简单的计算公式，通过该式计算的结果与试验数据吻合良好。 文献【1 3 】中p a r k 、y o u n g h o o n 等对一座体外预应力加固的板梁桥进行了研 究，该桥梁已经使用了2 3 年。加固运营4 年后，通过动静载试验研究该技术的 加固效应。试验结果表明，体外筋的预应力损失对承载能力基本上没有太大影 响，而跨中挠度大幅度降低，在试验车辆荷载作用下，其挠度值与加固前相比 减小了1 0 - - - 2 4 ，但加固后结构动力响应基本上没有太大变化。 1 2 2 国内研究现状 9 0 年代，东南大学吕志涛【| 4 】等对体外预应力加固进行了试验研究，对梁体 进行了j 下截面抗弯加固及抗剪加固，较系统的分析并提出了加固设计的计算方 法。试验结果表明：体外预应力加固可以大幅度提高被加固梁的抗弯强度和抗 剪强度，从而使被加固梁的使用性能得到很大改善。 l 绪论 1 9 9 2 年，铁道部科学研究院开展了一批体外预应力梁的静载试验，牛斌等 利用试验结果，在文献 1 5 e e 提出了体外预应力混凝土梁全过程非线性分析的计 算方法并编制了相应的计算机程序。2 0 0 3 年，牛斌又在文献 1 6 1 依据塑性铰法建 立了体外预应力混凝土梁极限状态下体外预应力筋的应力增量、弯矩和挠度的 简化计算公式。 杜世生、叶见曙、赖国麟等根据塑性铰理论求出预应力筋的极限应力， 计算结构的极限强度。从而提出了体外预应力加固钢筋混凝土简支梁抗弯极限 强度的计算方法。 黄乔、张树仁等【l8 】设计制作了1 2 片钢筋混凝土试验梁，并将其分为两类。 其中7 片梁用于抗弯试验，采用相同的配筋指标和截面尺寸；另外5 片用于抗 剪试验，其配筋指标和截面尺寸完全相同。分析体外索加固体系的极限破坏机 理，并建立极限强度计算方法，探讨了体外索斜钢筋和水平钢筋极限应力的合 理取值。 哈尔滨工业大学张树仁、王宗林等【l9 】研究分析了受拉区普通钢筋在体外预 应力混凝土简支梁中对结构受力性能的影响，阐述了体外预应力结构中普通钢 筋的作用和截面的破坏机理。 同济大学徐栋【2 0 】等编制了有限元非线性分析程序，对2 8 座体外预应力混凝 土简支梁桥进行了研究，得出了影响体外预应力钢索在活载作用下应力变幅的 几种参数，结果表明：跨径相同的简支梁，梁体高度越小，活载下预应力筋的 应力变化幅度越大；高跨比一定时，转向点之间的距离不是影响体外预应力钢 索活载作用下应力变幅的主要因素。 2 0 0 8 年，我国颁布了公路桥梁加固设计规范j t g t j 2 2 2 0 0 8 5 】。本规范 在国内外实验和理论基础上对体外预应力加固桥梁的构造和计算做了详细而明 确的规定。对体外预应力加固法在桥梁加固中的应用起到了进一步的推动作用。 综上可以发现，国内外对体外预应力加固技术进行了不少研究，其中主要 包括加固梁破坏形式的研究、加固梁承载力计算的研究以及体外预应力筋应力 计算的研究。研究方法一类是在大量试验研究和分析的基础上，建立计算模式， 其局限性是大多试验都是基于小梁试验；另一类是根据弹塑性力学原理或者非 线性分析方法进行理论计算。其局限性是i i i 者存在有许多假设，是一种简化的 计算方法；后者对非线性影响因素考虑不全【2 i 】【2 2 1 。 4 1 绪论 1 3 本课题研究的意义 关于体外预应力加固技术，国内外学者在理论和试验上都做了不少研究工 作，但相对来说采用数值模拟的方法比较少。由于混凝土材料本身的弹塑性、 体外预应力筋的应力变化以及预应力筋偏心距的变化引起的二次效应，使得在 荷载作用下体外预应力梁的力学特性具有很强的非线性。因此，单纯从理论上 分析很难综合考虑各种非线性因素，且存在有许多假设，求解具有一定的局限 性。而有限元数值模拟作为一个仿真度高、经济花费小的方法，可以很方便的 应用于试验和实际工程中，在试验中可以根据客观试验数据建立模型，进而进 行参数分析，并在一定程度上替代部分试验，且能够提供大量的计算结果回馈 信息，如应力、应变和结构变形发展过程等。在工程应用中可以根据设计数据 建立模型，进而对各种工况作用下的结构内力及变形进行分析，从而为工程技 术人员提供方便有效设计参考。 鉴于此，本文应用a n s y s 对某试验梁的体外预应力加固过程进行模拟，而 在以往的体外预应力加固的模拟中，多数文献的研究是基于体外预应力梁的研 究，而对梁体的加固过程并未进行模拟计算。梁体各个受力阶段其材料性能都 会有不同的变化，明确了解在不同受力阶段对梁体进行加固后材料的性能显然 很重要。因此本文在考虑了材料的非线性、结构的几何非线性及状态非线性的 基础上，通过实际加固过程的模拟，研究了体外筋的作用机理及不同参数对结 构加固效应的影响。研究方法方便实用，并可以推广到在役桥梁的加固模拟上， 以便更准确的对桥梁加固工程进行计算。因此本课题具有很好的研究价值及工 程意义。 1 4 本课题的主要工作 本文主要做了以下几个方面的工作： 1 ) 介绍了体外预应力混凝土加固体系的基本组成及常用的体外预应力加固 方法，以及结构加固时需要遵守的基本原则； 2 ) 对体外预应力混凝土加固体系进行了受力分析，并介绍了加固体系承载 能力极限状态及f 常使用极限状态的计算方法； 3 ) 介绍了混凝土材料和钢筋的本构关系，混凝土的破坏准则，加固体系非 1 绪论 线性影响因素，并对a n s y s 建模方法、预应力施加方法、加载过程等问题进行 了讨论； 4 ) 从数值模拟的角度，运用a n s y s 有限元分析软件，首先对某一混凝土 简支梁的破坏过程进行了模拟计算；其次，在以上基础上对该简支梁进行加固 过程模拟，并分析了不同布索方式、不同预应力大小以及不同加固时间对梁体 加固效应的影响； 5 ) 最后对设置一个转向块体外筋加固的简支梁受力全过程进行了详细的分 析，从而探讨了体外筋的作用机理。对今后的设计及工程应用具有一定的指导 意义。 6 2 体外预席力加l 匍技术 2 体外预应力加固技术 2 1 体外预应力加固基本原理 体外预应力加固【5 】是指通过增设体外预应力索( 包括钢绞线、高强钢丝束 和精轧螺纹钢筋) ，并将其设置在混凝土结构截面( 特别是受拉侧) 的外部，通 过端部锚具和转向块将预应力传递给混凝土结构，对梁体主动施加外力以改善 原结构受力状况的加固方法。这种方法不仅施工简便，而且可以在不增加梁体 结构高度和不影响结构使用空间的条件下，起到卸载的作用，从而可以较大幅 度地提高结构的承载能力，并改善其使用性能。 在常用的加固方法中，多数属于被动加固范畴，被动加固显著的缺点是后 加补强材料应变( 应力) 滞后，使得其高抗拉性能很难发挥作用，因此将造成材料 的浪费。尤其对于以混凝土承载力为主的受压构件和受剪构件，当既有结构存 在较高的应力状态时，构件经过加固后，既有结构往往会先于后加部分产生破 坏，使得后加补强材料尚未发挥其效能，导致加固效果不理想的或根本起不到 应有的加固作用。而如果加固前对结构进行卸载，使结构较高的应力状态得以 缓解，则会出现完全不同的情况。卸载可分为直接卸载和间接卸载。直接卸载 指的是全部或部分地直接移走作用于原结构上的可卸荷载。间接卸载是通过对 既有结构施加反向作用力，使原有结构的受力状态得以改变，以降低或抵消原 有作用效应。直接卸载一般只能卸去部分活荷载，可卸荷载量有限。相反问接 卸载量却没有限制，甚至可以使原有作用效应出现负值。通过对结构积极卸载， 加固后补强材料的应力、应变滞后现象便会得以降低，乃至消失，结构破坏时， 新旧两部分就可同时进入各自的极限状态，从而显著提高结构的总体承载力。 体外预应力加固法便是将原结构所受荷载，通过预应力手段部分地转移到新结 构上面的一种方法。在一般的加固方法中，只有该技术能够做到在对结构加固 的同时还可以问接卸载，进而大幅度的提高既有结构的承载能力和改善其使用 性能2 引。 2 2 体外预应力加固体系构造组成心们叫剐 体外预应力加固体系一般由以下几部分组成：体外预应力索、锚固系统、 7 2 体外预席力加崩技术 传力系统以及防腐系统组成。 2 2 1 体外预应力索 体外预应力加固体系所采用的预应力索一般包括钢绞线、高强钢丝束和精 轧螺纹钢筋，体外索不但应具有防腐能力，而且宜具有可更换性。目前，国内 外生产的环氧涂层无粘结钢绞线具有良好的防腐性能，这种钢绞线每根均有单 独的p e 护套并内充油脂，本身具有防腐系统，可以不用管道而单独使用，因此 这种钢绞线广泛的应用于体外预应力结构加固的工程中。预应力钢筋可由水平 筋、斜筋组成，也可由通长布置的钢束或钢绞线组成。当采用一根通长布置的 钢束或钢绞线时，必须特别注意体外索的弯曲半径是否满足其最小半径的要求。 水平筋也叫水平拉杆，多由钢绞线、高强钢丝束和精轧螺纹钢筋组成。其 作用是在梁底部位施加纵向预应力，从而对梁体产生负弯矩，以抵消既有梁体 的正弯矩，提高梁体抗弯承载能力。当水平筋采用精轧螺纹钢筋时，需在钢筋 的两端做粗制螺纹，配以螺母加以锚固。当采用高强钢丝束或钢绞线时( 通常 不设斜筋) ，需要用锚头将其两端锚固在梁项的端部。钢丝束或钢绞线的纵向线 形由设在梁底两侧的箍筋加以固定。 斜筋也叫斜杆，多由精轧螺纹钢筋或槽钢做成。斜杆的下端通过设置在梁 底的滑块与水平筋相连接，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负剪力，从而提高梁的抗剪承载能力。当采用高强钢 丝束时，可以不单独设斜筋，而将斜筋和水平筋相连接为一体。 2 2 2 锚固系统 体外预应力索的锚固系统一般分为可更换和不可更换两类。当混凝土结构 与体外索有离散粘结时需要采用不可更换的锚固系统，钢索也不得更换或调整。 当锚具与混凝土结构之间相互隔断时，需要采用可以更换的体外预应力锚固系 统。对于用体外预应力加固旧桥的体系，一般宜采用可更换的锚固体系。体外 索张拉端或锚固端位置的选择很关键，需要考虑桥上的交通量状况和桥下河流 及通航情况而定。一般分为梁顶锚固、腹板锚固以及梁端锚固。 1 ) 梁顶锚固 对于桥下作业难度较大或者桥上交通量较小可以短期限制交通的桥梁，可 以将斜筋的上端锚固于梁端项面上角处或桥面板顶面。当锚固在梁端顶面时， 8 2 体外弼! 麻力加l 司技术 首先，凿除梁端部分的桥面板，并将梁端顶面上角凿出一个斜面，使该斜面与 斜筋倾斜方向相垂直，以便在该斜面上锚固斜筋。同时在端横隔板上开凿斜孔， 使其与斜筋倾斜方向一致。然后用环氧砂浆将角钢或槽钢制作的支撑挚座固定 在梁端斜面上。将斜筋从横隔梁和支撑垫座的斜孔中穿过，千斤顶张拉并用螺 母将其锚固在支撑垫板上，最后用混凝土封闭锚头。当将斜筋锚固在桥面板顶 面时，应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， 然后在斜孔周围将桥面板凿成凹槽，凹槽尺寸根据钢垫板确定，然后用环氧砂 浆将钢垫板粘牢，之后张拉斜筋，并使用螺母通过楔形垫块将斜筋锚固在桥面 板上，最后将锚头用桥面铺装混凝土封闭。 2 ) 腹板锚固 当桥下便于施工作业或或桥上交通量很大中断交通比较困难时，可将斜筋 的上端锚固于主梁的腹板上。具体做法亦可分为以下三种： ( 1 ) 钢销锚固 当斜筋采用槽钢时，一般采用钢销锚固。其锚固作用主要是通过钢销的抗 弯、抗剪和承压作用来锚固斜筋。首先在梁的腹板上穿孔，设置钢套管，钢套 管壁厚为5 m m l o m m ，其内径应比钢销直径大l m m 一2 m m 。腹板钻孔直径， 应比钢套管外径大l o m m 1 2 m m 。钢套管用环氧砂浆固定，在埋设钢套管时， 为避免腹板两侧的体外索受力不均匀，一定要保证钢套管的轴线垂直于梁的腹 板平面。锚固时只需将槽钢端头做成扣环，套在穿过梁腹板的钢销的端头上即 可。钢销的直径应根据材料强度和受力情况计算确定，钢销两端伸出梁腹板的 长度，应根据固定螺母的构造要求确定。 ( 2 ) 黏结一摩擦锚固 黏结一摩擦锚固体系的锚固作用依靠的是高强螺栓的摩擦力以及环氧砂浆 的粘结力。由高强螺栓将梁腹板上的锚固装置固定，进而锚固斜筋。通过高强 螺栓的预拉力将锚固板、黏结层和梁体央紧，由夹紧力产生的摩擦力传递预应 力。锚固装置由锚固钢板、高强螺栓组件、钢丝网环氧树脂砂浆黏结层组成。 钢丝网环氧树脂砂浆黏结层的作用是将锚固板和梁体黏在一起，与高强螺栓所 产生的摩擦力一起传递预应力，除此之外还可以对由于高强螺栓孔对梁体的削 弱予以补强，并兼起挚层作用。 9 2 体外弼! 席力加同技术 2 2 3 传力系统 1 ) 转向滑块 滑块又称竖向支撑。当水平筋与斜筋不是同一根钢筋时，便需要通过滑块 将其连接为一体。根据构造形式滑块可分为两类，即水平滑块和楔形滑块。滑 块的基本作用是传递水平筋和斜筋之间的作用力，兼作斜筋和水平筋的转折点， 并将斜筋的竖向分力传递至梁底，与上锚固点的竖向力一起对梁体产生负弯矩 和负剪力，从而抵消部分荷载的作用，提高梁体的承载力。 ( 1 ) 水平滑块 水平滑块是由固定在梁底的支撑钢板与活动滑块支撑座组成。一般采用环 氧砂浆垫层将支撑钢板粘贴在梁的底面，环氧砂浆垫层中可以设置钢丝网，以 便增强梁底的局部抗压强度。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。同时还可以在支撑钢挚板表面加一 层不锈钢板用于减少滑块的摩阻力。支撑座用于连接水平筋和斜筋，一般为钢 铸件，亦可采用厚钢板焊接。为了增强滑块的滑动能力，也可在支撑座项面粘 贴一层四氟乙烯滑板。 水平滑块的主要作用是调整斜筋与水平筋之间的内力分配，使滑块表面受 力趋于均匀。这一系列作用主要是通过滑块的水平滑动实现的，当在梁顶面张 拉斜筋上端时，斜筋受力很大，此时滑块将向梁体两端方向滑动，致使水平筋 伸长引起内力增加，直到斜筋和水平筋之间的内力达到平衡时，滑块便停止滑 动处于平衡状态。当在梁底水平筋上施加预应力或梁体上部作用外荷载时，梁 体便会发生弯曲，水平筋的内力随之增加，滑块将会向跨中方向滑动。这种滑 动的结果便会使斜筋伸长引起内力增长，而水平筋内力随之降低，两者受力通 过滑块的这种自动调整再次趋于均匀。 ( 2 ) 楔形滑块 楔形滑块可采用钢件焊接，也可以采用混凝土浇筑而成。当斜筋采用槽钢 时，一般将楔形滑块固结在槽钢下端，可在滑块的斜面( 滑动面) 上加一层四 氟乙烯板或不锈钢板，以减少滑块的摩擦力。然后利用横隔梁的底面作为竖向 支撑，以此连接水平筋。楔形滑块与水平滑块的作用相同，都是用于调整斜筋 与水平筋之间的内力分配，但与水平滑块相比，楔形滑块具有如下两个特点：a ： 楔形滑块是沿着楔形体的斜面( 滑动面) 滑动的，因此其水平滑动量要比水平 滑块小。b ：楔形滑块与斜杆做成一体，一般采用用钢件焊接或用混凝土浇筑而 1 0 2 体外预麻力加l 矧技术 成。 2 ) u 形承托 当斜筋采用槽钢时，或斜筋和水平筋采用同一根钢铰线取代时，经常将距 离梁端的第二个横隔梁( 板) 作为竖向支撑，并在横隔板的底部设置u 形承托。 其作用是利用该u 形承托减少横隔梁( 板) 底部的摩擦力，以便减少横隔板的 弯曲作用。在此情况下，u 形承托还兼作斜筋和水平筋的转折点。u 形承托可 用钢板弯制而成，套在横隔梁( 板) 的底面，并用环氧砂浆和锚固螺栓固定在 横隔板上。 3 ) 定位器( 或减震器) 当水平筋自由长度超过l o m 时，应设置定位装置即定位器( 或减震器) 。其 作用是减短水平筋的自由长度，从而可以起到减振作用。该装置对于跨径较大 的体外索加固体系尤为重要。该装置一般采用q 2 3 5 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。 2 2 4 防腐系统 体外预应力的防腐系统主要指以下几个方面： 1 ) 钢索本身的防腐 对钢索本身成品的单根无粘结钢绞线是现在最常见有效的防腐手段。现在， 国内外生产的环氧涂层无粘结钢绞线具更好的防腐性能。这种钢绞线每根均有 单独的p e 护套并内充油脂，本身具有防护系统，可以不用管道而单独使用， 较多的应用于体外预应力加固桥梁的工程中。 2 ) 管道与灌浆料 对于应用普通钢绞线的体外，预应力加固体系的混凝土结构，管道与相应的 灌浆材料就显得至关重要。h d p e 管道加水泥浆是最经济的，由于钢索在体外， 且钢索的几何外形比较简洁，故钢索的灌浆条件相对比体内预应力筋好的多。 这样，水泥浆就能比较可靠的充实全部管道。这种防腐措施已被证明是可靠的， 大部分体外预应力加固桥梁体系都是采用此种方法。用油脂或石蜡在钢管或p e 管内灌浆，钢索采用钢绞线，这种体外预应力加固体系同样能取得不错的效果。 3 ) 锚固区段 不管采用何种灌浆材料，锚具的喇叭管内都需要灌浆。如采用无粘结钢索， 需要采用油脂或其他材料填充5 i - n 的防护套管。另外，体外预应力索暴露在外， 2 体外预府力加i 司技术 可以方便的对其进行检测，并且在有些情况下可以更换，这充分保证了结构的 防腐能力。 2 3 体外预应力加固方法 根据加固对象的不同，体外预应力加固法分为预应力拉杆加固和预应力撑 杆加固两种，分别见图2 一l 及图2 2 。其中，当受弯构件需要加固时一般采用预 应力拉杆加固法，而轴心受压以及偏心受压的钢筋混凝土柱的加固多采用预应 力撑杆加固法。 根据被加固结构受力要求的不同，预应力拉杆加固法又可分为水平拉杆、 下撑式拉杆和组合式拉杆三种加固形式，见图2 2 ( a ) 、2 2 ( b ) 、2 - 2c o ) 。其中水平拉杆适于构件正截面受弯承载力 不足的加固；下撑式拉杆适用于j 下截面受弯承载力及斜截 面受剪承载力均不足的受弯构件加固；组合式拉杆一般由 两根水平拉杆，两根下撑式拉杆组成，当构件正截面受弯 承载力严重不足而斜截面受剪承载力略为不足时，可采用 组合式拉杆予以加固。这三种加固形式均可以减小既有构 件的挠度，缩小其裂缝宽度甚至可以使原有裂缝闭合【3 0 】。 图2 1 预应力撑杆示意 图2 2 ( a ) 预应力水平拉杆示意 图2 - 2 ( b ) 预戍力卜承式拉杆示意 1 2 2 体外预府力加同技术 图2 - 2c o ) 预应力组合式拉杆示意 1 ) 预应力水平拉杆补强加固法 该加固法是在梁底布置水平的预应力拉杆，即在梁的受拉区进行补强加固。 首先安装好拉杆并对其进行张拉，随着张拉力的增加拉杆逐渐伸长从而产生预 应力并传至梁底，梁底受拉区受到拉杆预压应力的作用后，梁体的受拉应力便 可部分或全部抵消，由此可以看出，这种补强加固法可以有效提高梁体的正截 面抗弯承载力，但对支座附近斜截面的抗剪承载能力却没有贡献。 2 ) 预应力下撑式拉杆补强加固法 预应力下撑式拉杆一般由粗钢筋或槽钢做成。该加固法的施加过程是首先 将水平拉杆在支座附近向上弯起，然后将拉杆端部锚固在梁板支座的上部，同 时将传力装置设置在弯起点位置处，进而对其施加预拉应力。拉杆施加预应力 后，通过拉杆弯起点的支托构件对梁体结构产生作用力，从而可以对梁体起到 主动卸载的作用。该加固法的优点是在提高受弯构件垂直截面上的抗弯强度的 同时斜截面上的抗剪强度也可以得到有效提高。 3 ) 预应力组合式拉杆补强加固法 预应力组合式拉杆由水平补强拉杆与下撑式补强拉杆组成，在二者的共同 作用下，结构的抗弯强度和抗剪强度可以同时得到提高，从而较大幅度