0 前 言
0.1 現代預應力技術的發展
預應力是指在構件（或）結構中預先施加應力，預應力技術則是指預應力的錨固方式與張拉體系（簡稱錨固張拉體系），包括結構的設計計算、預應力的施加與錨固、預應力材料等方面。自從1928年法國工程師歐仁·費萊西奈（Enugene Freyssinet）成功地發明了可靠而又經濟的張拉錨固工工藝技術，首次將高強鋼絲應用于預應力混凝土結構中，從而推動了現代預應力材料、設備及工藝技術的發展。
在現代預應力技術的發展過程中，隨著預應力筋及預應力張拉錨固體系性能的不斷提高，預應力施工藝也在不斷完善和創新。因此，預應力技術的應用已使得預應力混凝土結構成為當前世界上最重要、最有發展前途的結構之一。
0.2 我國預應力材料的發展
在我國預應力工程中，預應力筋按材料類型可分為：①鋼絲；②鋼絞線；③鋼筋；④非金屬預應力筋。根據預應力筋深加工工藝或施工方法的不同，預應力筋又可分為：有粘結、緩粘結、無粘結和體外預應力筋。
隨著預應力技術的發展和實踐經驗的積累，預應力筋已開發出多種高強度的品種，配套形成一系列制作、張拉、錨固、保護與防腐蝕工藝，在此基礎上開發形成了多種預應力工法和專利技術。
而預應力錨固體系經過幾十年的發展，技術已臻完善；預應力產品標準化、系列化，品種齊全，可以滿足各種不同的需要。
1 預應力技術在加固橋梁中的應用研究
1.1 預應力加固技術
預應力加固技術實質上就是對結構施加體外預應力，以抵消部分外荷載產生的內力。它類似于分階段后張預應力的施工方法，即在原結構使用后，部分施加預應力或不施加預應力，在荷載增大后，施加相應的預應力，只不過這部分預應力筋放在結構外罷了。從另一角度來說，預應力加固法就是在原結構上增加中間彈性支座，以減小原結構內力。
預應力加固法是一種主動加固法，它能通過合適的預應力值來改善原結構的應力變形狀態，增加結構構件的承載能力。特別是近年來，隨著體外預應力技術的發展，預應力加固技術的理論、工藝更趨完善，使用范圍更為廣闊。
1.2 體外預應力技術特點
體外預應力技術由于具有以下特點，而在橋梁加固中得到廣泛的應用。
（1）能在結構使用期內檢測、維護和更換；
（2）由于預應力筋與混凝土截面分離，既提高了混凝土本身的施工質量，又方便了預應力束的施工，并提高其施工質量；
（3）束形簡單，摩阻損失小。
1.3 體外預應力加固方法的特點
（1）能較大幅度提高或恢復橋梁的承載能力和抗裂度，加固效果明顯；
（2）施工工藝簡單、干擾交通少、所需設備簡單、人力投入少、工期短、經濟效益明顯；
（3）對原結構損傷小，可做到不影響橋下凈空，不增加路面標高；
（4）預應力加固需要可靠的防腐措施。
1.4 體外預應力加固的力學特點
預應力加固方法實際上是使被加固結構成為一個帶柔性拉桿的超靜定結構，與其它預應力結構或其它加固方法不同的是：加固前橋梁所受荷載由恒載和活載組成，預應力筋的張拉控制值是在上部結構的恒載作用下讀取的，即帶載加固。因此在計算預應力筋荷載作用下的應力增量時，應僅考慮活載的作用。根據上述受力特點，可將預應力加固橋梁結構分為施加預應力與活載作用兩個階段進行受力分析。
另外應注意，對于體外預應力混凝土結構，任一截面處預應力筋的應變變化值與該處混凝土的應變變化值并不相同，類似于無粘結預應力筋。
1.5 體外預應力加固的適用條件
（1）適用于正截面受彎承載力不足或正截面受拉區鋼筋銹蝕的情況；
（2）適用于梁抗彎剛度不足導致梁的撓度超過規范規定，或由于剛度太小導致梁的受拉區裂縫寬度超過規范規定的情況；
（3）適用于梁斜截面受剪承載力不足的情況。
1.6 體外預應加固的不利影響
（1）預應力加固完成后，由于預應力的作用，原來的受力結構會出現不同程度的卸載現象，導致原結構發生內力重分布；
（2）由于預應力筋轉向塊和錨固點處存在巨大的集中力，這一區域的受力比較復雜；
（3）由于預應力筋一般布置在梁截面外部，易受環境（如溫度、酸性氣體等）的影響；
（4）預應力筋一般不能參與局部裂縫控制。
下面根據預應力筋的分類、所處的位置和不同的施工工藝，介紹江西省四座公路橋梁成功應用預應力技術實施加固維修或改造提載的實例。
2 先體外后體內預應力加固橋梁技
術
2.1 大橋概況
靈溪大橋位于320國道上，該橋于1970年10月由七孔不等跨八字撐架木梁橋改建成七孔不等跨簡支鋼筋混凝土梁橋，全長120m。該橋上部構造為四梁式T梁，混凝土標號為舊170號。各孔梁長依次為8.29、16.78、15.94、16.11、16.11、16.94、及11.06m。下部構造均為重力式墩臺、八字墻。該橋設計荷載為汽—13、拖—60，橋面凈寬為凈-7+2×0.5m人行道。該橋通過的交通量較大，現加固拓寬為荷載標準汽—20，掛—100，橋面凈寬為凈-9+2×1.5m人行道。
2.2 原橋主梁加固增強方案
首先，通過預應力水平鋼絲束對被補強梁施加水平預應力，改變受彎梁構件內力圖式，在支座處產生附加彎矩，抵消了部分恒載彎矩，減少梁的跨中彎矩，提高了被補強梁的正截面抗彎強度、剛度和抗裂性。再以噴射混凝土增加梁截面來提高梁支座附近斜截面的抗剪強度，并因包裹了預應力鋼絲束，可使鋼絲束防銹蝕。
2.3 原主梁的預應力加固技術
該預應力加固體系由預應力鋼絲束、梁端鋼墊板及弗氏錨具組成；每片梁每側各設一束預應力鋼絲，每束為16Φ5鋼絲，水平置于距梁底面以上10cm處。鋼絲束張拉后，用12號砂漿封錨，再以噴射混凝土將預應力鋼束裹覆。
(1)梁端錨固系統見圖1和圖2所示；
(2)預應力材料：預應力鋼絲采用高強度低松弛鋼束，由16Φ5鋼絲組成；錨具：弗氏錨；錨下墊板：采用3號鋼，板厚30mm，平面尺寸200×740mm；
(3)噴錨混凝土：25號混凝土。
圖1 梁端錨固系統（單位：mm）
圖2 梁端錨噴混凝土后斷面
（單位：鋼筋直徑為mm；其余為cm）
2.4 大橋拓寬加固后靜載試驗結論
（1）由測試資料可知，加固拓寬前后跨中加載彎矩增大1.631倍時，實測的邊T梁撓度和梁底受拉區鋼筋應力僅分別增大1.071倍及1.063倍，可見該橋在加固拓寬后上部結構承載能力大，安全可靠。
（2）由測試資料推測的汽—20荷載作用下梁的應變、應力值與行人荷載、恒載作用下梁的應變、應力值均較容許值為小，可見加固拓寬后橋梁結構完全滿足設計要求。
2.5 大橋加固效果評價
靈溪大橋采用先以體外預應力加固T梁，后用錨噴混凝土使預應力鋼束與梁體粘合的加固方法，它不僅使梁的抗彎、抗剪強度及剛度得以增大，且能有效地防止預應力鋼束因暴露在大氣中引起銹蝕，也減少了今后養護工作和費用。該方法通過施加預應力，主梁將會產生上拱，這對改善舊橋的下撓狀況是十分有利的，且可使裂縫減小或閉合。噴射混凝土包裹著預應力鋼筋，既發揮了預應力的作用，又發揮了噴錨混凝土優越性，也解決了體外預應力鋼材養護難題，經濟效益十分顯著，為類似橋梁的加固改造提供了一種十分有效的好途徑。
3 斜撐式體外預應力加固橋梁技術
3.1 大橋概況
上頓渡大橋在江西省撫州市境內，大橋原設計荷載為汽車—13級，拖車—60，橋面凈寬為凈-7+2×0.75m人行道，上部構造為11孔22.2m無橫隔板裝配式鋼筋混凝土T梁，橫向五根梁， 1969年10月建成通車。
3.2 T梁加固提載設計要點
上頓渡大橋位于省道撫八線上，交通十分繁忙，條件不允許中斷交通進行加固，經多方案比較后決定采用基本上不中斷交通的體外預應力鋼筋加固提載法。
根據結構分析計算和加固前的靜載試驗，上頓渡大橋基本狀況良好，承載能力為汽車—15級左右，采用斜撐式體外預應力筋加固方式，既能明顯提高跨中斷面的抗彎能力，又能改善斜撐內斷面的抗剪能力。
3.3 大橋加固提載后靜載試驗結論
（1）在恒載+汽車—20級靜載作用下T梁底部鋼筋應力最大為117 MPa，小于160 MPa，且比加固前的最大值168.4 MPa小51.4 MPa，說明T梁經加固后承載能力大大加強，達到汽車—20級的承載能力要求。
（2）在恒載+汽車—20級荷載作用下預應力加
固鋼筋應力最大為355.6 MPa，小于560 MPa，能夠滿足汽車—20級荷載要求。
（3）加載時各測點的讀數穩定，卸載后各部位
圖3斜撐式體外預應力筋布置圖（尺寸單位：a圖為cm b圖為mm）
的應變或撓度恢復迅速，其相對殘余變形值較小，表明橋孔各部件（T梁、支座）均處于彈性工作狀態，受力狀態良好。
4 無粘結體外索預應力加固T構橋
4.1 大橋概況
井岡山大橋位于江西省吉安市市區，全長1090m，橋面凈空：凈-7+2×1.5m人行道；設計荷載為汽車－13；拖車－60；人群－3.5KN/m2。上部結構為16孔預應力鋼筋混凝土帶掛孔懸臂T構，孔徑分別為：48.13+14×71+48.13m；T構兩端懸臂長各23.5m，橫截面為單箱雙室。每跨掛孔由五片預制吊裝普通鋼筋混凝土T梁構成，掛孔跨徑為21m。大橋于1970年5月1日通車。
4.2 加固前大橋主要病害
(1)大橋懸臂箱梁的部分預應力筋錨頭已嚴重銹蝕（特別是9號塊牛腿），而該橋為預應力干接縫懸拼施工，因而預應力筋錨頭銹蝕給全橋的正常使用造成嚴重的威脅和隱患。
(2)橋面縱向成波浪型，各孔掛梁跨中部位有明顯下沉，且橋面混凝土破損極其嚴重，使車輛過往產生較大的沖擊力。
4.3 大修加固設計要點
墩上部鑿開孔洞，在箱梁中采用植筋技術，設置齒板，用體外束（無粘結束）對箱梁進行加固。設計中對長束采用可調式體外束錨具，是考慮到結構性能的不確定性，在需要調整束力大小時，比較方便。體外索布置如圖4所示。
4.4 體外預應力索內力測試結果
(1)檢測采用振動測試及有限差分法，對井岡山大橋T構箱梁加固體外預應力索進行了認真的檢測分析，通過頻譜分析技術和結構計算，得出了各拉索的軸向內力。
(2)索力測試結果表明，最大索力為1093.6KN，和張拉控制力1094KN一致；最小索力為835.7KN，是張拉控制力的76.4%，在考慮扣除正常的預應力損失后仍屬于正常預應力范圍內。
5 環氧噴涂體外預應力束加固橋梁技術
圖4 體外預應力索立面布置圖（單位：cm）
5.1 大橋概況
吉安贛江公路大橋全長1577m，主橋橋孔布置為60m+4×100m+60m預應力混凝土連續箱梁，采用雙箱單室連續箱梁，下部構造為鉆孔灌注樁配預應力混凝土V形墩。
通過全面檢測，在大橋主橋結構中主要發現V墩所有的拉板都有明顯的下撓現象，拉板根部上緣開裂明顯，有的裂縫甚至已經貫穿頂面和底面，表明拉板中的預應力已部分失效。
經計算，當V型墩拉板有效預應力損失達20%時，拉板與伸臂連接部位上緣最大主拉應力為2.11Mpa；當有效預應力損失達30%時，拉板與伸臂連接部位上緣最大主拉應力為5.42MPa（已超過C50混凝土的抗拉設計強度，該截面勢必產生裂縫）。經采用Ansys非線性分析模塊計算，若有效預應力損失達30%，拉板與伸臂連接部位完全開裂時，拉板跨中下撓19.14cm，比實測最大下撓值16.5cm稍大，因而分析拉板預應力損失應在20%～30%之間。
5.2 V型墩拉板的維修加固要點
根據V墩拉板的作用及結構計算結果，分析拉板的實際預應力損失在20%～30%之間，采用增設環氧噴涂體外無粘結預應力束加固拉板。
由于環氧涂層預應力鋼絞線其表面均勻噴涂了環氧樹脂保護層，使得預應力鋼絞線不僅具有足夠的強度和韌性，還有較強的耐腐蝕性。
經計算并綜合考慮各因素的影響，在每個V墩上各設置12束φj15.24（上、下游側V墩各6束）高強度低松馳預應力體外束（Rby=1860MPa，σK=1116MPa）。環氧噴涂體外無粘結預應力束加固V墩拉板布置如圖5所示。
圖5 體外無粘結預應力束加固V墩拉板立面圖（單位：cm）
6 結 語
1、預應力加固法是一種主動加固法，能較大幅度的提高構件的承載能力，在加固方法選擇過程中，宜優先考慮。
2、對橋梁上部結構施加體外預應力，以預加力產生的反彎矩抵消部分荷載產生的內力，可達到改善其使用性能和提高其承載能力的作用。體外預應力技術用于橋梁的維修和加固，具有施工簡便、工期短、投入少、效果明顯等特點，且可在不中斷交通的情況下實施，對結構的損傷也小。
3、體外預應力結構的最主要力學性能特點是：體外預應力索對截面的偏心距會隨著構件彎曲下撓而減小，從而減小了預應力的作用。
4、體外預應力混凝土結構特別是鋼索可以更換的體外預應力結構，其對錨具有巨大的依賴性，一旦錨具組件出現問題，其后果將是災難性的。因此，體外預應力錨具組件本身必須能提供比一般體內預應力錨具高得多的可靠性和安全性。同時，體外預應力索要承受體內預應力索更不利的動載及由此產生的疲勞問題。
5、由于體外預應力索暴露在外，預應力索的防腐十分重要，它關系到結構的安全性及可靠度；同時也方便了對其進行檢測，并且在有些情況下還可以更換，從而保證了體外索的防腐能力，這也正是體外預應力技術的優勢之一。
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聞 中 心
