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体外预应力加固技术研究综述 [发表于 2015/4/23] 状态 开放帖 浏览量 1242 |
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引言：
体外预应力结构可以说是后张无粘结预应力结构的一个分支，是一种用完全位于构件截面以外的预应力束来对结构施加应力的结构体系。体外预应力结构的概念最早产生于法国。1934年德国工程师FranzDischinger获得体外无粘结预应力技术专利。体外预应力的发展经历了兴衰交替的三个阶段：上世纪30-50年代是早期应用阶段；60-70年代是停滞阶段；8O年代至今是再发展阶段。目前，该技术广泛应用于各种结构工程及对既有结构的加固中[1]。
我国正处于道路与城市建设的高峰期，体外预应力技术具有极大的针对性，尤其在桥梁建设中有着巨大地应用前景。体外预应力技术由于具有施工方便、经济可靠，预应力筋可以单独防腐甚至可以更换等特点，近年来，体外预应力梁已被广泛应用于旧桥的加固工程中。众多的工程实践证明，利用体外预应力加固旧桥能显著提高结构承载力和抗裂度，有效改善结构的应力状态。
1体外预应力加固法的原理和特点
桥梁体外预应力加固体系的形式是多种多样的。从结构形式上来看，该体系主要是由以下几部分组成的：水平筋、斜筋、上锚固点、滑块、U型承托、水平筋固定支座[2]。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。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力从而达到改善桥梁使用性能并提高承载能力的目的。对于钢筋混凝土桥梁，可考虑采用体外预应力进行加固，该法具有加固，卸荷改变结构内力的三重功效[3]。
体外预应力就是把预应力索放在梁的主体结构之外，只通过两端能锚固以及梁中的转向装置与梁体相连。在我国体外预应力主要月干旧桥加固很少。作为主要体系，体外预应力尤其适用于中小跨径的桥梁，对于大跨径桥梁。宜配合采用其他方法综合加固。
体外预应力加固具有如下优点：能够大幅度提高旧桥的承载能力和挠裂度，加固效果明显。施工简单，工期短，经济效益明显[4]。采用体外预应力技术进行加固，所需工序少；该方法对原结构的改动较少，大大减少了工作量，这样可以最大限度地缩短工期；在施工过程中，原结构仍可使用，这样就可以把不利影响降到最低。预应力筋的布置方便，力筋状态易于检查[5]。不增加自重，不降低结构使用功能。由于体外预应力束基本不占用结构空间，不会因为预留孔的存在而降低结构的承载能力，也避免因此降低结构的使用功能。工程质量更有保证。
体外预应力束在工厂生产，质量比现场加工的预应力粗钢筋稳定；张拉过程中，施工人员能够精确控制和调整钢绞线的应力；由于无需后浇混凝土，可避免由此带来的预应力损失。便于后期维护，投入使用后，检查人员能够随时检查腐蚀情况，随时对预应力束进行应力检测，及时掌握工作数据，保证在必要时及时进行
但体外预应力加固也有如下缺点：体外预应力索容易受到意外的破坏;体外预应力索不能参与局部裂缝的控制。由于转向装置和锚固点受到约束，行车时容易引起体外索的振动，预应力的自由长度受到限制。从力学特性上来讲体外预应力索与周围结构主体在同一截面上的变形是不协调的。
2体外预应力加固方法
体外预应力结构与体内预应力结构本质的区别在于体外预应力结构的预应力筋布置在主体结构之外。固体外预应力索通常为由多根钢绞线组合成的集中钢索。故称为体外预应力索。体外预应力加固通常是在梁底或梁侧下部增设预应力加劲钢丝索或预应力粗钢筋补强并分别锚固在梁的两端，通过设置一定的联结构件使预应力拉杆(钢丝索或粗钢筋)与梁体构成一个桁架体系。成一次超静定结构。施加体外预应力，抵消部分恒载应力。起到卸载的作用，从而较大提高桥梁结构的承载能力。体外预应力混凝土结构的基本组成主要包括：体外预应力索、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。
根据施加预应力的方式不同，桥梁体外预应力加固的常用方法有：横向收紧张拉法、纵向张拉法、竖向张拉法和顶弯梁法等。邵明在桥梁体外预应力加固技术一文中就简要介绍了桥梁体外预应力加固的常用方法，并对体外预应力结构体系的力学特征、配筋设计、计算方法及结构检算方法进行了系统的分析[6]。
席广恒，陈啸，刘斌等人在体外预应力桥梁现场荷载试验研究一文中对某高速公路体外预应力试验桥进行了现场静力荷载试验，详细介绍了荷载试验的全过程，获得了该桥在三级加载状态下的各控制点的挠度值和应变值等力学性能指标。通过桥梁专业软件MIDAS／Civil进行有限元建模，得出了对应工况下的理论计算值，并与实测值进行比较分析，对桥梁的整体性能和结构安全做出了评价。同时，利用磁量传感器对体外索索力进行了检测，得出了索力基本不随加载级别变化。试验进一步证明了体外预应力桥梁设计方法和相关设计参数取值的正确性，对于完善体外预应力桥梁的设计方法和积累体外预应力桥梁实桥荷载试验技术资料具有重要意义[7]。
3体外预应力技术的新发展和应用
3．1体外预应力结构设计理论的发展
目前国内外关于体外预应力技术主要的研究内容有：体外预应力混凝土结构的初始张拉力的确定与预应力损失的计算方法、非线性全过程分析方法、振动特性研究和抗震验算原则与方法、耐久性设计以及维护与预应力索换索等，体外预应力混凝土受弯构件的正截面破坏形态与承载力、斜截面抗剪承载力和挠度的分析计算等，体外预应力混凝土超静定结构的设计与计算，转向装置及混凝土局部承压设计，以及钢结构与索混合结构相关设计理论的研究等方面。
3．2体外预应力新型锚固体系发展
林冰花,谭德盼在体外预应力技术的发展一文中阐述了体外预应力结构的概念和早期的体外预应力技术,并从预应力筋、锚固体系和施工工艺三个方面系统论述了体外预应力技术的现状及以后的发展,以推广体外预应力技术的发展[8]。
王鹏，丁汉山，吕志涛等人在碳绞线体外预应力在桥梁中的应用一文中为解决混凝土桥梁中钢筋锈蚀引发的问题，采用RP筋中的碳绞线作体外束施加预应力．探讨了碳绞线体外预应力混凝土桥梁的结构特点和构造措施，以及该类桥梁中挠度、延性及抗弯、抗剪的计算分析方法[9]。
3.3体外预应力技术在国内桥梁工程中的应用
在我国，自20世纪50年代以来，预应力技术得到了迅速发展，而对无粘结预应力技术的研究开始于70年代。但是在桥梁方面，体外及体内无粘结预应力筋的采用到90年代才开始。到目前为止，体外预应力技术尚未得到广泛的应用，在桥梁工程中，仅多应用于既有桥梁的加固。
体外预应力技术的发展方向
(1)随着应用领域的不断拓宽和其他结构工程的大规模发展,体外预应力的应用范围越来越广,应用数量也迅速增长。
(2)预应力筋向高强度、低松弛、大直径和耐腐蚀的方向发展。
(3)锚固体系将得到完善,在一定范围内,预应力吨位可根据实际需要任意选用,使用方便,安全可靠。
(4)施工向工业化、专业化方向发展,实现施工工艺标准化、自动化控制与管理。
(5)体外预应力的设计、计算理论不断完善。现在与未来,应用新技术、新施工方法,取得良好的经济效益和社会效益,都是提高竞争力的重要因素。因此,基于上优点和未来技术的发展,体外预应力结构将是当前世界上重要的、有发展前途的结构之一。
4结语
体外预应力技术不仅可以应用于新建工程，更适用于旧结构的改造与加固[10]。体外预应力结构布置灵活，安全可靠，特别是可以在结构正常工作情况下实现调索和换索，是其他结构形式所无法比拟的优点。相关理论的不断进步、新型材料和新型锚固体系的发展，为体外预应力技术的应用奠定了理论基础和带来了新的活力，使得这种技术有更加广泛的发展应用前景。
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