【桥梁养护】桥梁体外预应力加固机理及相关计算

桥梁体外预应力加固体系是后张无粘结预应力体系的一个分支， 是一种用位于构件截面以外的预应力束对结构施加预应力的体系。目前国外体外预应力体系可以灵活应用于各种桥梁结构设计， 并与各种传统的桥梁施工方法相结合， 形成许多高效新颖的桥梁施工方法， 如体外预应力逐孔施工法、悬臂施工法和顶推施工法等。体外预应力在国内主要应用于桥梁加固、房屋加固等工程中。

1 体外预应力体系的组成

体外预应力是指对布置于桥梁承载结构主跨本体之外的钢束张拉而产生的预应力， 仅把钢束锚固区域设置在桥梁结构本体内， 转向块可设在桥梁结构体内或体外。

体外预应力体系的基本组成包括以下内容： 体外预应力索体、管道和灌浆材料； 体外预应力索的锚固系统； 体外预应力索的转向装置； 体外预应力体系的防腐系统； 体外预应力体系的减振装置。

2 体外预应力体系加固机理

桥梁体外预应力加固通常采用粗钢筋钢绞线、高强钢丝等材料作为施力工具。通过在梁体外布设体外预应力束， 并与被加固的梁体锚固联结， 在体外对桥梁上部结构施加预应力， 以预应力产生的反弯矩部分抵消外荷载产生的内力， 从而改变原结构的内力分布， 降低原结构应力水平， 使结构总承载力提高， 同时可减少结构变形、缩小裂缝宽度。

T构为静定体系， 墩顶主要承受负弯矩， 加固时， 体外索靠近顶板布置， 穿过零号块横隔板， 可在锚固块、牛腿等位置将体外索锚固。由于加固后体外束与旧桥构件将组成一个整体并共同参与受力工作， 因此， 补强体外束与被补强的梁板组成了一个新的复合体系， 这样就改变了结构原来的静力图形， 提高了它的承载能力。体外预应力具有加固、卸荷及改变结构内力的三重功效。

3 体外预应力加固法的计算

采用桥梁体外预应力加固梁式桥梁， 需进行必要的设计与计算。

体外索加固计算包括整体计算和局部计算。体外索加固整体计算应包括： 持久状况承载能力极限状态计算、持久状况正常使用极限状态计算、持久状况和短暂状况的应力计算。

体外索加固局部计算内容： 转向构造的承载力和抗裂性计算、锚固区的承载力和抗裂性计算、持久状况下的其他局部构件的承载力计算。

计算步骤和方法具体如下：

计算步骤和方法具体如下：
a）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， 包括恒载和活载内力， 方法与通常桥梁设计中的内力计算方法相同；
b）计算提高荷载标准后的活载内力， 由恒载与活载的组合来验算加固的必要性；
c）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、剪力等）， 估算出补强体外索所需的横截面面积；
d）计算和确定体外索所需的张拉力与伸长量，由于张拉预应力达到一定应力后， 外荷载有所增大， 在由体外索和被加固桥梁结构组成的超静定体系中， 体外索产生的作用效应增量， 可按结构力学方法进行分析， 几种荷载的综合效应等于各种荷载分别作用时的效应相迭加；
e）承载力及应力验算， 按加固设计规范验算被加固梁控制截面正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力， 验算中将体外索的作用效应作为外力， 在与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， 可加大拉杆截面或改用其他加固方案；
f）计算确定施工中体外索张拉需要的控制量。

桥梁下部结构加固的主要目的是提高桥墩的整体承载能力。如桥墩发生了结构性损伤，可以用外包混凝土、粘贴钢板或碳纤维的方法进行加固。但是对于实体桥墩等横向刚度比较大的结构，其状态变化主要是由地基所引起，此时可重点从回填硬土或者对地基进行注浆等方法提高其约束桥墩的能力，提高桥墩的整体承载能力。抬桩就是通常使用的一种有效的加固方法，即在旧桩的两侧各增设一根桩，并通过植筋扩大承台，共同受力。另一种桩基加固方法是钢筋混凝土套箍。由于下部桩基施工等原因，造成桩基缩径，采用的加固方法是清除桩体虚浮物，通过植筋后，外抱箍微膨胀混凝土。