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1 前言 

    體外預(yù)應(yīng)力就是設(shè)置在混凝土體外的預(yù)應(yīng)力筋給混凝土施加的預(yù)應(yīng)力。體外預(yù)應(yīng)力混凝土也稱無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，是一種預(yù)應(yīng)力筋直接設(shè)置在體外，或者預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置在混凝土體內(nèi)，但無(wú)需進(jìn)行孔道灌漿的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土。它與預(yù)應(yīng)力混凝土的區(qū)別在于預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的無(wú)粘結(jié)性。自20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土在我國(guó)房屋建筑中得到廣泛的應(yīng)用，后來(lái)逐漸被應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中。 


    體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)由于具有施工方便、經(jīng)濟(jì)可靠，預(yù)應(yīng)力筋（束）可以單獨(dú)防腐甚至可以更換等特點(diǎn)，近年來(lái)，已被廣泛應(yīng)用于舊橋的加固工程中。眾多的工程實(shí)踐證明，利用舊橋，能顯著提高結(jié)構(gòu)承載力和抗裂度，有效改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。 

    本文試圖以紫泥大橋主跨雙懸臂T 構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的成功加固實(shí)例為背景，說(shuō)明利用體外預(yù)應(yīng)力加固同類結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、施工及其監(jiān)控過(guò)程中的一些思路，以期與同行們共同探討。 

    2 紫泥大橋概況 

    紫泥大橋位于廣州市番禺區(qū)沙彎鎮(zhèn)，由南向北橫跨紫泥河，舊橋橋面總寬為10.2m+2×0.5m；全長(zhǎng)420m，跨徑組合為7×20m+40m+60m+40m+7×20m；其中主跨跨度60m，由兩個(gè)臂長(zhǎng)為20m的T 形剛構(gòu)和20m 掛梁組成。主跨T構(gòu)為單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土雙懸臂箱梁，引橋?yàn)?a href='http://m.tjbdyy.cn' target='_blank' title='鋼筋混凝土'>鋼筋混凝土T 型簡(jiǎn)支梁。該橋設(shè)計(jì)荷載為汽車-20 級(jí)，掛車-100；于1984 年完成設(shè)計(jì)，1986年建成通車。 

    該橋建成后，車流量不斷增大以及超重車輛不斷增多都大大地超出了設(shè)計(jì)的預(yù)期。經(jīng)過(guò)16 年的超負(fù)荷營(yíng)運(yùn)，加上主墩及掛梁曾先后兩次被過(guò)往船只撞擊，致使主橋箱梁頂板、腹板等多處出現(xiàn)裂縫；橋面鋪裝層出現(xiàn)破碎、擁包現(xiàn)象，為了適應(yīng)橋上日益增多的重車交通，需要進(jìn)行大規(guī)模的加固維修。并將荷載標(biāo)準(zhǔn)提高到汽車-超20，掛-120 級(jí)。 

    根據(jù)對(duì)該橋結(jié)構(gòu)病害的詳細(xì)檢查分析，整個(gè)T構(gòu)箱梁，負(fù)彎矩區(qū)未見(jiàn)明顯的裂縫，說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體抗彎尚可；車輛在橋上通過(guò)時(shí)振動(dòng)過(guò)大，但無(wú)車輛荷載作用時(shí)，T 構(gòu)兩懸臂端未見(jiàn)明顯下?lián)希�說(shuō)明結(jié)構(gòu)尚屬?gòu)椥怨ぷ鳡顟B(tài)階段，T 構(gòu)箱梁的局部裂縫，尚屬可修復(fù)范圍。針對(duì)舊橋現(xiàn)狀，為達(dá)到修復(fù)舊橋病害，提高橋梁荷載等級(jí)的目的，須作如下處理：（1）采用粘貼鋼板的方法修復(fù)加固現(xiàn)有裂縫；（2）采用體外預(yù)應(yīng)力加固的方法提高箱梁整體承載力；（3）重修橋面系，加大鋪裝層配筋率。但由于篇幅的限制，本文僅著重?cái)⑹鲋骺鏣 構(gòu)體外束的加固，裂縫以及橋面系的修復(fù)從略。 

    3 加固設(shè)計(jì) 

    3.1 體外預(yù)應(yīng)力束的線形布置 

    為便于穿束和錨固，所有體外束均布置在T構(gòu)箱梁空洞內(nèi)部，采用折線形布置。為滿足箱梁正截面抗彎強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度要求，按照雙懸臂梁受彎的特點(diǎn)，T構(gòu)箱梁的根部，體外束布置在腹板上緣，穿過(guò)60cm 厚的箱梁內(nèi)橫梁轉(zhuǎn)向向下，并通過(guò)設(shè)在牛腿附近的轉(zhuǎn)向裝置錨固在箱梁懸臂兩端。 

    3.2 體外束的預(yù)應(yīng)力損失考慮 

    由于體外束與梁體混凝土無(wú)粘結(jié)作用，其張拉力是在梁體發(fā)生彈性壓縮的情況下讀取的，因而分批張拉引起的混凝土彈性壓縮損失極小；在活載作用下，引起體外束中的拉力增量時(shí)，考慮到梁體的變形協(xié)調(diào)及體系的內(nèi)力平衡，活載拉力增量也不會(huì)引起預(yù)應(yīng)力束中的混凝土彈性壓縮損失。此外，舊橋混凝土的收縮、徐變?cè)陂L(zhǎng)期使用中已基本完成，由收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失也幾乎可以勿略不計(jì)。但是，對(duì)于整體工作的梁而言，新增加的體外預(yù)應(yīng)力會(huì)使梁體變形，使箱梁原有的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生損失。 

    由以上分析可知，與有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力束相比較，體外束的預(yù)應(yīng)力損失要小得多。因此，體外束無(wú)須減除過(guò)多的預(yù)應(yīng)力損失，為避免體外束長(zhǎng)期于高應(yīng)力狀態(tài)下工作，其張拉控制應(yīng)力可適當(dāng)降低。 

    3.3 體外束面積的確定 

    體外束面積，可通過(guò)箱梁加固前、后的承載力差值，根據(jù)疊加原理，按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理初步估算。但是，一方面，由于布束和錨固位置的局限性，不大可能確切地根據(jù)箱梁各截面的抗彎、抗剪的需要配束，而只能根據(jù)箱梁的根部截面的抗彎強(qiáng)度確定。一旦控制截面配束被確定，因?yàn)轶w外束沿T構(gòu)全梁通長(zhǎng)布置，只能通過(guò)調(diào)整體外束處于箱梁高度的不同位置來(lái)適應(yīng)T構(gòu)箱梁沿縱向各截面的受力變化。由于轉(zhuǎn)向裝置的有限設(shè)置，這種調(diào)整也是有限度的。另一方面，由于體外束與梁體的不粘結(jié)性，在荷載的作用下，體外束與梁體共同組成了一個(gè)空間（非平面）的靜力平衡體系。因此，體外束在給予梁體預(yù)應(yīng)力的同時(shí)，也對(duì)懸臂梁起到拉桿的作用。從這點(diǎn)出發(fā)，為了提高“拉桿”的安全度，最終所采用的體外束面積要比按承載力差值所估算的面積大些。這樣，也為控制張拉時(shí)留有更多的余地。 
鋼束的布置見(jiàn)圖1。 


    3.4 體外束的材料和張拉力 
    
    體外束采用ASTMA 416-87a 270 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)粘結(jié)鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為  =1860 MPa。考慮到體外束的預(yù)應(yīng)力損失較小，若張拉應(yīng)力取0.6 ，從給梁體施加預(yù)應(yīng)力的角度出發(fā)，經(jīng)初步估算，一個(gè)T構(gòu)箱梁采用12束3Φj15.24鋼絞線，每束總面A=3×140mm2,張拉力為T=3×0.14×0.6 =468.72kN；但考慮到體外束作為結(jié)構(gòu)拉桿的作用，最后采用12束5Φj15.24鋼絞線，截面總面積為8400mm2，但每束的張拉力仍然采用T=468.72kN不變。 

    3.5 轉(zhuǎn)向裝置和錨固端 

    根據(jù)雙懸臂箱梁的受力特點(diǎn)，在箱梁根部，體外束應(yīng)盡可能地置于截面受拉區(qū)最上緣，而在懸臂端部（錨固端），體外束則應(yīng)置于截面中性軸附近。為了達(dá)到這個(gè)目的，就需要設(shè)置轉(zhuǎn)向裝置。 

    利用T構(gòu)箱梁根部的內(nèi)橫梁，以及在懸臂端部附近新增的一道內(nèi)橫梁，共同組成體外束的導(dǎo)向裝置。通過(guò)增設(shè)的橫梁，使體外束的束力與牛腿端的錨固面相垂直。增設(shè)箱梁橫隔梁，除可作體外束的轉(zhuǎn)向塊外，還可以增加箱梁的橫向剛度。但是，由于體外束通過(guò)轉(zhuǎn)向塊而強(qiáng)制轉(zhuǎn)向，在張拉體外束時(shí)，會(huì)在橫梁及轉(zhuǎn)向塊的鋼束穿過(guò)孔道內(nèi)引起壓應(yīng)力集中；同時(shí)，鋼束張力的一部分通過(guò)轉(zhuǎn)向塊給箱梁頂板一個(gè)壓力，而這一壓力將會(huì)引起箱梁頂板頂面拉應(yīng)力集中。而在錨固端，由于體外束與梁體無(wú)粘結(jié)，給梁體施加的全部預(yù)應(yīng)力，是通過(guò)兩錨固端實(shí)現(xiàn)的。因此，轉(zhuǎn)向塊以及兩錨固端處的混凝土必須通過(guò)局部應(yīng)力驗(yàn)算。 

    轉(zhuǎn)向塊和錨固端構(gòu)造的合理設(shè)計(jì)是體外預(yù)應(yīng)力可靠傳遞的保證。為了滿足轉(zhuǎn)向裝 置和錨固端混凝土局部承壓要求，對(duì)箱梁根部的橫隔梁和兩錨固端均作了局部粘鋼處理。同時(shí)，在轉(zhuǎn)向塊（新增的橫隔板）處箱梁頂面粘鋼，以滿足其局部抗拉的要求。此外，在體外束穿過(guò)橫梁及轉(zhuǎn)向塊的孔道內(nèi)套人一個(gè), 60mm的鋼管，鋼管的兩端打磨光滑，并與鋼板環(huán)向焊接，該鋼板以三束為一組用結(jié)構(gòu)膠粘貼在橫梁兩面。 

    4 加固施工和監(jiān)控 

    對(duì)于舊橋加固而言，加固設(shè)計(jì)，僅僅是加固工作的一部分，設(shè)計(jì)的方案能否成功地實(shí)施并達(dá)到預(yù)期的目的，關(guān)鍵在于施工和監(jiān)控。 
體外預(yù)應(yīng)力加固預(yù)應(yīng)力混凝土舊橋，雖然有過(guò)很多成功的經(jīng)驗(yàn)，但還處于不斷探索和完善之中，尚未形成成熟的理論。體外預(yù)應(yīng)力加固應(yīng)用的一個(gè)主要的障礙是張拉力的控制，施工時(shí)，除了采用張拉力和伸長(zhǎng)量雙控外，還必須現(xiàn)場(chǎng)對(duì)舊橋進(jìn)行整體情況的監(jiān)控。邊施工邊控制，可以消除預(yù)應(yīng)力張拉的畏懼心理。 

    4.1 體外束的施工 

    體外束加固工作，需要在掛籃里進(jìn)行，在T構(gòu)箱梁兩懸臂端各安裝了一套掛籃。體外預(yù)應(yīng)力束從T構(gòu)箱梁內(nèi)部通過(guò)，須穿過(guò)箱梁根部?jī)傻栏?0cm厚的橫隔板，以及總厚度為100cm的端橫隔梁，錨固在牛腿端部。采用抽蕊鉆成孔，鋼束的一般通過(guò)孔尺寸為甲 63cm，為了使預(yù)應(yīng)力鋼鉸線在錨固點(diǎn)附近成喇叭口狀分布在錨具上，錨固端40cm范圍內(nèi)需將孔道逐漸擴(kuò)寬至甲 93cm。抽蕊成孔是整個(gè)箱梁加固施工的難點(diǎn)，尤其是端橫梁內(nèi)鋼筋較密，為避免損傷牛腿主筋，需不時(shí)地調(diào)整鉆孔位置。 

    預(yù)應(yīng)力束張拉之前，先對(duì)橫梁、轉(zhuǎn)向塊處箱梁頂板以及牛腿進(jìn)行粘鋼處理。粘鋼前，粘鋼部位混凝土表面須鑿除2～3mm，以達(dá)到能見(jiàn)到粗骨料為度，然后磨平混凝土表面，用JGN-Ⅱ型結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，待結(jié)構(gòu)膠完全達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度后再?gòu)埨�體外束。 


    因?yàn)轶w外束大部分為裸束，其張拉摩阻力很小，采用250t 千斤頂，僅一端張拉即可。為了消除因體外束張拉的不均勻而引起對(duì)箱梁縱向的剪力差，各體外束的張拉應(yīng)同時(shí)、同步分級(jí)進(jìn)行。在無(wú)同類加固先例的情況下，為確保加固的安全性，可將設(shè)計(jì)的張拉力T分為0 .5T、0.8T、T三級(jí)完成。張拉次序是：0→0.05 T→0→0.5 T→0.8T→T。每級(jí)張拉完成后，觀察一小時(shí)，確信橋梁無(wú)異常情況后，再進(jìn)行第二級(jí)張拉。體外束張拉時(shí)，除了要控制張拉力和鋼束伸長(zhǎng)量之外，還必須對(duì)舊橋主要斷面的應(yīng)變及整體撓度情況進(jìn)行監(jiān)控，邊張拉邊觀察。 

    4.2體外束張拉的監(jiān)控 

    施工監(jiān)控，主要在體外束張拉的過(guò)程中對(duì)梁體的應(yīng)力和變形情況進(jìn)行控制。控制的內(nèi)容是：(l）體外束張拉過(guò)程中及張拉完成后，懸臂箱梁截面上緣出現(xiàn)的壓應(yīng)力增量加上原有鋼束給混凝土的壓應(yīng)力之和不能大于現(xiàn)有舊橋混凝土的容許抗壓強(qiáng)度。(2）體外束張拉過(guò)程中及張拉完成后，懸臂箱梁截面下緣不出現(xiàn)拉應(yīng)力。（3）體外束張拉過(guò)程中及張拉完成后，箱梁懸臂端的實(shí)測(cè)撓度不能大于計(jì)算值。 

     預(yù)應(yīng)力張拉之前，可在T構(gòu)根部箱梁的頂面和底面預(yù)先每隔一定的距離布置應(yīng)變傳感器，并測(cè)量箱梁懸臂端部的撓度。在張拉過(guò)程中，用儀器觀察應(yīng)變及撓度的變化，只要讀數(shù)的增量不超過(guò)預(yù)定數(shù)值，則可繼續(xù)張拉直至完成設(shè)計(jì)張拉力，否則，應(yīng)立即停止張拉，重新調(diào)整束力。 

    由于舊橋加固存在很多不確定的因素，因而設(shè)計(jì)計(jì)算的體外束面積和張拉力，也只能是估算，箱梁各截面能否承受得了加固設(shè)計(jì)的張拉力，實(shí)際上還是不好確定的，因此，只有通過(guò)施工過(guò)程的監(jiān)控，才能有效地消除對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉的恐懼心理。 

    紫泥大橋主跨8、9號(hào)墩T構(gòu)，各布置12束體外束，采用單邊張拉，每束張拉力為468kN。監(jiān)控結(jié)果表明，在張拉過(guò)程中，T構(gòu)底面幾乎不發(fā)生應(yīng)力變化，實(shí)際應(yīng)變的增量為0（達(dá)到了箱梁下緣不出現(xiàn)拉應(yīng)力的要求），而在箱梁頂面各測(cè)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)變最大增量值為-31.5με（壓應(yīng)變）。這說(shuō)明在體外束張拉的過(guò)程中，箱梁根部下緣沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，上緣出現(xiàn)壓應(yīng)力，但應(yīng)力增量較小，能滿足要求。在T 構(gòu)端部的撓度方面，體外束張拉后，實(shí)測(cè)最大上撓1.38mm ，也在控制范圍之內(nèi)。 

    5 加固后承載能力評(píng)定 

    加固完成后，由質(zhì)監(jiān)站組織對(duì)T 構(gòu)箱梁分別進(jìn)行了靜載和動(dòng)載試驗(yàn)。 

    (1）靜載試驗(yàn)結(jié)果：在等代設(shè)計(jì)荷載的96.07% 作用下，T構(gòu)懸臂端部最大撓度為16.93mm，為理論計(jì)算值的105% ; T構(gòu)根部的最大拉應(yīng)變?yōu)?3.15με，是理論計(jì)算值的76.55%，卸載后殘余變形為8.5％。