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第二十三章 体外预应力加固梁式桥第一节 体外预应力的加固机理 一、体外预应力的概念 钢筋混凝土梁式桥通常包括简支梁(T形梁、少筋微弯板组合梁、n形梁及板梁等)、悬臂梁和连续梁等。当其存在结构缺陷，尤其是承载力不足或需要提高荷载等级，即需要对桥梁主要受力构件进行加固时，可在梁体外部受拉区(梁底与梁两侧)设置钢筋或钢丝束，并施加顶应力，以抵消部分永久作用应力，起到卸载作用，改善桥梁的受力状况，达到提高桥梁承载能力的目的。 二、加固方法 对于需要加固的钢筋混凝土梁式桥，常在梁底或梁侧下部增设顶应力加劲钢丝索或预应力粗钢筋，并分别锚固在梁的两端，通过设置一定的连接构件使预应力拉杆(钢丝索或粗钢筋)与梁体构成一个桁架体系，成为一次超静定结构，从而抵消部分永久作用应力，起到卸载作用，因此较大幅度地提高桥梁承载能力。 体外预应力加固法与梁底增焊(或粘贴)钢筋(或钢板)的加固方法相比，不需清凿混凝土保护层，且损伤梁体程度小，加固时不影响或少影响交通，能恢复或提高桥梁的荷载等级，经济效果较明显。但对于梁体外的预应力筋和有关构件应采取切实有效的防护措施，否则在温度、腐蚀等外界条件作用下，容易造成预应力筋断裂而使加固工作失败。 体外预应力加固法适用于中小跨径的梁式桥梁，对于较大跨径的桥梁，采用本方法加固时，宜同时配合其他加固方法进行综合加固，以达到较好的加固效果。 三、加固类型与特性 体外预应力加固梁式桥，实际上亦是改变了梁体原有受力体系的加固方法。所以，根据加固对象的不同，该加固法又可分为预应力拉杆加固和预应力撑杆加固。其中，预应力拉杆加固主要用于受弯构件，而预应力撑杆加固法适用于提高轴心受压以及偏心受压钢筋混凝土柱的承载能力，例如，排架桩式桥墩、桥台以及拱桥的柱式腹拱墩等。根据被加固的结构受力要求不同，预应力拉杆加固法又分为三种，即水平拉杆、下撑式拉杆和组合式拉杆。水平拉杆适用于正截面受弯承载力不足的加固，同时既可减小梁的挠度，又缩小原构件的裂缝宽度。下撑式拉杆适用于斜截面受剪承载力、正截面受弯承载力均不足的受弯构件加固，同时又可减小梁的挠度，缩小原构件的裂缝宽度。组合式拉杆一般用两根水平拉杆，两根下撑式拉杆，适用于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的加固，同时亦可减小受弯构件的挠度、缩小裂缝的宽度。四、体外预应力加固法机理 通过在梁体外布设钢材的拉杆或撑杆，并与被加固的梁体锚固连接，然后施加预应力，强迫后加的拉杆或撑杆受力，从而改变原结构的内力分布，并降低原结构应力数值，使结构总承载力显著提高，且可减少结构的变形、使裂缝宽度缩小甚至完全闭合。这就是体外预应力加固梁式桥梁，并能提高其承载能力的机理。体外预应力下撑式拉杆加固补强方法是最常用的一种，它可视为改简支梁为上承式桁架梁。桁架的上弦即为原结构主梁，下弦是新增设的水平拉杆，腹杆是新增的斜拉杆，把与梁体接触的垫块视为竖杆，单垫块为单柱式，双垫块为双柱式。斜杆的上端锚固位置有两种：一种锚于梁端的顶部；另一种锚于靠近端横梁处的梁肋顶部。斜杆的下端与滑块连接，滑块依赖拉杆收紧后产生的上托力和滑移时的摩擦力与上弦连接。对斜杆的张拉不是直接施加，而是随着水平拉杆张拉力增加，下端滑块产生相应的移动，使它的长度增大。当水平拉杆张拉力达到设计量后，将它的两端锚固。至此加固工作即告完成。在斜杆顶端和梁底垫块上作用力的水平分力共同对梁体施加偏心轴向压力。上述作用力的竖向分力所形成的力偶对梁端施加负弯矩及竖向负剪力。这些预加力可以抵消或超过恒载作用力。在车辆通过时，这些体外拉杆是上部结构的组成部分并与原有梁体共同受力，形成超静定体系，各拉杆的张拉力将自动增加，讲一步韶到粱体加强作用。第二节 体外预应力加固法的设计和施工技术采用体外预应力拉杆补强加固梁式桥梁，由于加固后预应力拉杆与旧桥的钢筋混凝土梁或板等构件将组成一个整体并共同受力工作。补强拉杆与被补强的梁板组成了一个新复合体系，这样就改变了结构原来的静力图形。因此，应事先进行必要的设计与计算。一、体外预应力加固设计计算步骤与方法1计算求出被补强构件提高荷载等级前所受荷载及其引起的内力，包括永久作用和可变作用内力。方法与通常桥梁设计时内力计算相同。2计算提高荷载标准后的可变作用内力，并由永久作用与可变作用的组合来验算加固的必要性。3由上面两项之差得出内力的提高值(即需补强加固的抵抗力矩及剪力等)，估算出补强拉杆应有的横截面面积。4计算和确定拉杆所必需的张拉力与伸长量。由于张拉预应力拉杆达到一定应力后，外荷载有所增大，在由拉杆和被加固梁组成的超静定结构体系中，拉杆产生的作用效应增量，可按结构力学的方法进行分析，几种荷载的综合效应等于各种荷载分别作用时的效应迭加。 5承载力验算。按设计规范验算被加固梁在跨中和支座截面的偏心受压承载力，以及支座至拉杆弯折处或支座附近的斜截面承载力。验算中将拉杆的作用效应作为外力，并在全部荷载作用下作偏心受压分析。若验算结果不能满足规范规定时，可加大拉杆截面或改用其他加固方案。 6计算确定施工中控制张拉时需要的控制量。二、施工步骤和工艺要点 (1)主梁锚固孔定位凿洞 根据设计图布设的锚固孔中心定位凿孔，孑L洞直径应大于套管直径23 cm，以便于埋设环氧砂浆。凿孔工具可采用电动冲击钻，先以8 mm直径的小钻头在孔位四周打一圈，然后再凿中间部分的混凝土，这样可避免孔壁四周混凝土遭到损坏。钻进时，不要一下子猛钻，应边钻边拉动钻头，清除散粒以免损坏钻头。 体外预应力筋的锚固孔，在设计时必须避免与主梁斜筋相交。在正常情况下，按设计尺寸正确放样，一般不会发生与斜筋交叉现象，但当主梁钢筋原定位不准，仍有可能发生钢筋干扰情况，如遇到箍筋可直接用氧气或扁凿割断，如遇到主筋则适当偏移孔位。 (2)套管、垫圈、销轴应根据设计进行金属加工，但由于是旧桥加固提载，很自然各片T梁在制作时会有不同程度的尺寸误差，故此，应及时对套管和锚固轴的长度进行相应调整o (3)用环氧砂浆埋设套管，锚固孔凿好后应进行表面处理，使孔壁清洁干燥，浮松部分应清除，配制环氧树脂砂浆，用斜面压降法或灌浆法埋设套管。 (4)根据设计图要求，加工斜向受拉槽钢时，对各部件分别切割下料，焊接前应事先进行放样组拼，准确无误后方可进行施焊，并注意锚固孔是否因故改动，否则，槽钢下端角度及有关尺寸必须相应调整，以免形成在箱形槽钢两端的穿筋孔眼不在一条水平线上，引起水平钢筋弯曲或螺帽与箱形槽钢顶端不垂直，产生角偏差，造成张拉受力后预应力钢筋折断。一般在制作和凿孔放样时均有一定的误差，所以常将孑L眼适当放大为长圆孔，留有微调的余量。 (5)用砂轮切割机进行钢筋切割下料，并将割口毛边用锉刀锉圆，连接器和螺帽严格按设计要求的材料尺寸和工艺制作。连接器连接时先把钢筋的一端做好一半连接器长度的标记，将连接器放到标记部位，然后放进另端钢筋。如设计时采用冷拉四级钢筋为预应力钢筋时，需先加工螺丝端杆，按设计要求长度对焊钢筋，再通过冷拉工艺后才能使用。 (6)安装预应力构件时，把斜向槽钢套人锚固销，另一端用绳子拉起或支架撑住箱形部位，再穿入预应力钢筋，旋上垫圈、螺帽，然后用人工将螺帽旋紧至下面横隔板下承托，以减小机械张拉的行程o (7)张拉前设备准确就位，油泵接电、电机就位。由于张拉工作在桥下空中操作，须事先搭好操作脚手支架，如在船上搭架，须注意船只锚定稳固，油泵油管要有足够的长度。 (8)张拉预应力筋前，应事先在试验机上标定油压表与拉力的关系，以便准确控制张拉力。张拉程序宜以两侧边梁开始向中间顺序进行，以减少中梁的弹性压缩损失。张拉前应仔细再检查一遍槽钢下端箱体上的钢板孔壁是否和预应力钢筋相碰，螺帽和箱体盖板是否垂直，如不符合要求，必须进行调整，调整合格检查无误后，即用油泵控制压力表进行张拉到规定吨位，然后用特制的长扳手用力旋紧螺帽，以尽量减小螺帽压密损失。 (9)材料防护：预应力钢筋及其他一切外露钢材，须用钢丝刷除锈，涂两遍防锈漆，箱形槽钢内灌入水